Автор: Материал подготовил В. Б. ГОЛЬДМАН

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

Отправные положения концепции, предложенные доктором геолого-минералогических наук В. Молчановым и кандидатом геолого-минералогических наук В. Параевым из Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН, базируются на идеях трех выдающихся ученых нашей страны - академиков В. И. Вернадского, А. П. Виноградова и А.А. Трофимука. Первый определил генезис воздушного кислорода в зависимости от захоронения органического вещества. Второй установил, что кислород атмосферы (как результат фотосинтеза) суть продукт воды, а не углекислоты. Третий высказал гипотезу об углерод- водородной оболочке стратосферы в смысле материнской основы нефтегазопроизводства.

Устойчивое развитие Земли как единой системы обеспечивается разномасштабными геобиологическими процессами в атмосфере, биосфере, гидросфере, литосфере. 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 последней 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.

Свободный кислород может оказаться невостребованным, если какое-то количество органического вещества, синтезированного в процессе фотосинтеза, выпадает из круговорота в виде органических остатков и захороня-ется в недрах. Следовательно, масса воздушного кислорода пропорциональна массе органических остатков, которые содержатся в осадочных породах. Причем захоронение продуктов биосферы в недрах происходит в столь значительных масштабах, что вполне уместно говорить о формировании самостоятельной углерод-водородной оболочки в стратосфере.

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

В предпринимавшихся ранее попытках рассчитать динамику становления кислородной атмосферы (используя упрощенную реакцию фотосинтеза) опирались на то, что один атом органического углерода в составе осадочных

стр. 85

пород обеспечивает выход в атмосферу двух атомов кислорода, т.е. их соотношение 12:32 или 3:8. Иначе строится расчет по массе захороненного водорода: каждый атом углерода в недрах захватывает с собой два атома водорода и обеспечивает выход в атмосферу только одного атома кислорода (12:16 или 3:4).

По мнению авторов статьи, применявшаяся ранее расчетная формула фотосинтеза по захороненному углероду (упрощенная на одну молекулу воды) приводила к системной 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: ведь солнечный свет "выбивает" электроны, т.е. является окислителем, а не восстановителем углекислоты. Наконец, вносится и геохимическая ошибка. Кислород атмосферы, как известно, обогащен тяжелым изотопом по сравнению с этим газом гидросферы (хотя кислород воздуха есть продукт воды). Объяснение же фракционирования изотопов содержится в расчетной формуле (с удвоенной молекулой воды). Биогенная вода в реакции фотосинтеза образуется при предпочтительном усвоении легкого изотопа кислорода, а тяжелые возвращаются в атмосферу.

По перечисленным причинам В. Молчанов и В. Параев полагают: упрощение расчетной формулы фотосинтеза (вполне закономерное по правилам арифметики) абсолютно недопустимо по естественнонаучным положениям. Поступивший в атмосферу кислород становится важнейшим агентом, определяющим условия седиментогенеза. В литогенезе он расходуется на окисление минеральных веществ, среди которых главные потребители - закисное железо и сульфидная сера (другими можно пока пренебречь). Зная массу осадочных, вулканогенных и сульфатных пород, слагающих осадочную оболочку Земли, можно вычислить общий расход кислорода на окисление минеральных веществ в какой-либо геологический период.

Для количественной оценки баланса взаимодействия внешних геосфер необходимо подсчитать: массу произведенного при фотосинтезе кислорода (приход); его массу, затраченную при окислении минеральных веществ в литогенезе (расход); разность "приход-расход" будет поступать в атмосферу. Результаты расчетов показывают: биогенный кислород по масштабам выделения при фотосинтезе способен обеспечить потребность в нем при окислении минеральных веществ в литогенезе и его накопление в атмосфере до необходимого уровня.

Накопление кислорода в атмосфере не было равномерным. В фанерозойской эпохе Земли (последние 570- 600 млн. лет) выделяются семь этапов становления кислородной атмосферы. Отчетливо обособляются повторяющиеся периоды падения и роста масштабов генерации кислорода, с

стр. 86

которыми коррелируют глобальные изменения природной среды, климата, биоты, особенности седиментогенеза, осадочного породообразования, тектонической активности земной коры.

Периоды спада интенсивности генерации кислорода и угнетенного фотосинтеза совпадают с глобальными оледенениями 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 "глобально геологической зимой". Последние - со скудной растительностью - сменяли периоды буйного расцвета органической жизни и 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 (12-22 млн. лет) периодами с переходной интенсивностью генерации кислорода "глобального межсезонья" (осень, весна).

В. Молчанов и В. Параев подчеркивают: "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. Для этого периода (в отличие от современного состояния планеты) характерны: пенепленизация (выравнивание) континентов, обширный, но мелководный океан, отсутствие полярных ледовых шапок, среднегодовая температура достигла плюс

стр. 87

18-25 ^о С, а разность температур поверхности океана между полюсом и экватором была значительно меньше, чем сейчас.

Благоприятные условия обитания способствовали 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 цикла, складывающегося как последовательность зима - весна - лето - осень, оценивается в 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 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.И. Вернадского и А.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.А. Трофимуком (по эмпирическим данным) этажами нефтегазоносности, и указать стратиграфические горизонты вероятной локализации залежей с предварительной оценкой геологических запасов.

Кроме того, идеи В. И. Вернадского и А.А. Трофимука помогают решать проблемы цикличности и периодичности в эволюции седиментогенеза и осадочного рудообразования. Дело в том, что 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 отложения солей, осаждение которых обусловлено вымораживанием водоемов. Весна - сезон образования бокситов, генезис которых связан с выщелачиванием глинозема холодными углекислыми водами. Лето - пора формирования каустобиолитов (уголь, нефть, газ).

Полученные расчеты баланса взаимодействия внешних геосфер позволяют прогнозировать дальнейшее развитие климата Земли и саморегуляцию земных процессов. Так, согласно схеме "глобальной годовой цикличности" в настоящее время заканчивается "кайнозойская зима" и наступает переход к "глобальной весне".

В средствах массовой информации широко обсуждается глобальное потепление на планете, которое связывают с парниковым эффектом. Но анализ геологических событий в фанерозое, считают В. Молчанов и В. Параев, показывает: механизмы саморегуляции, сформировавшиеся к настоящему времени, не допустят катастрофических изменений, как о том сообщается в прессе. Не отрицая парниковый эффект, следует признать: 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 - можно наблюдать сейчас при разрушении Большого барьерного рифа, омываемого холодным течением Берингова пролива.

Увеличение массы воды и повышение уровня Мирового океана в связи с потеплением климата будут урегулированы возрастанием массы биосферы. Теплые условия расширят 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 и гидросферы 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), поэтому геобиологические факторы в значительной мере определяют эволюцию земного вещества в процессе становления и существования планеты.

"Наука в Сибири", 2001 г.

Permanent link to this publication: