В статье высказано предположение о существенно нефтяном составе астеносферного слоя Земли. Доводы: 1) по геофизическим данным внутреннее строение Земли и планет земного типа (а также планетоидов) в целом, однотипно, дифференцируясь на ядро, мантию и каменную оболочку 2) морфология поверхности Земли характеризуется сочетанием обширных равнин и хребтов планетарного масштаба как результат плейттектоники, вызванной конвекцией мантийного вещества 3) для поверхности других планет земного типа и планетоидов характерны лишь брахивоздымания и опускания (без учета метеорных кратеров) — что можно трактовать как следствие конвективных движений без плейттектоники 4) дополнительной причиной возникновения плейттектоники стало наличие в верхах мантии Земли астеносферного слоя, который ныне трактуется как полужидкий магматический расплав 5) остается неясным, почему такой оболочки не возникло в верхах мантии других планет, поверхность которых почти нацело сложена магматическими породами? 6) и почему на других планетах не зафиксировано гранитов и метаморфических пород?
В.И.Вернадский утверждал что "живое вещество есть геологическая сила планетарного масштаба". Автор статьи предположил, что архейские хемотрофные прокариоты зарождались в недрах подводных вулканов или проникали туда вместе с морскими водами в затишьe вулканической деятельности. Отмершие водоросли метаморфизовались до состояния нефти, которая вместе с водой мигрировала преимущественно в боковые породы мантии. В итоге к началу протерозоя образовалась нефтесодержащая астеносфера, которая обособила от мантии каменную оболочку (литосферу) . Литосфера распалась на плиты, при взаимодействии которых образовывались граниты, метаморфические породы и разнообразные месторождения полезных ископаемых. При подъеме астеносферного слоя к поверхности, в его перегибах (на границах континентов и океанов или в замыкающихся океанических бассейнах) нефть получала возможность проникать в осадочные слои, образуя в них крупные месторождения, в том числе с постоянной подпиткой.
Резюме: 1) нефтяные ресурсы на Земле грандиозны 2) поиски жизни на других планетах Солнечной системы безнадежны, поскольку на них нет признаков тектоники плит
Ключевые слова: морфология, плейттектоника, астеносфера, подводные вулканы, хемотрофные прокариоты, миграция нефти, гранитизация, метаморфизм, астеносферные перегибы, грандиозные ресурсы, поиски жизни.
Как свидетельствуют наблюдения с космических аппаратов, морфология поверхности планет земного типа (Марса, Меркурия) довольно однообразна: многочисленные кратеры на фоне слабо выраженных брахивоздыманий и опусканий с редкими, относительно короткими (до 2000 км, рифт Маринер — 4000 км) рифтами, хребтами и эскарпами[12]. На Венере с ее мощной атмосферой кратеров практически нет, но характерны аналогичные брахиформы. Менее уверенно можно судить о морфологии крупных планетоидов (зачастую покрытых мощной ледяной корой), но те, чья силикатная поверхность доступна наблюдению (Луна, Ио, Титан), напоминают упомянутые планеты. От них резко отлична Земля, для поверхности которой типично сочетание равнин и хребтов, часто планетарного масштаба.
Большинству геологов ныне понятно, что хребты на Земле возникли в результате линейных дислокаций на границах взаимодействующих тектонических плит земной коры: в зонах спрединга, субдукции, обдукции или как их отголоски. Отсюда следует, что на других планетах Солнечной системы плейттектоники не было, хотя возраст коры этих планет и Земли одинаков (около 4,5 млрд. л), а внутреннее строение (по наличным гравитационным, магнитным и сейсмическим данным) вторит Земле: та же силикатная кора, дифференцированная мантия и железное ядро [14]. Впрочем, в коре этих планет нет гранитного "слоя", она преимущественно мафическая. Нет, видимо, и мощных наружных слоев осадочных пород.
Гипотеза дрейфа континентов (по океанической коре), опубликованная в 1915 г. А. Вегенером, вызвала у многих геологов большой энтузиазм, но в 20-х годах она была обоснованно раскритикована: расчеты показали, что перемещение твердой континентальной коры по базальтам коры океанической невозможно из-за большого коэффициента трения [9,187-209]. Однако еще в 1914 г. Дж. Баррелл предположил наличие под земной корой уровня отсутствия прочности ("астеносферы"), который обеспечивает изостатическую уравновешенность коры, обнаруженную при гравиметрических измерениях.[13]. После появления в 60-х годах нового фактического материала в пользу горизонтальных перемещений литосферных плит, возникло предположение, что эти перемещения обеспечиваются наличием полужидкого слоя в верхней мантии, который ассоциировали с "астеносферой Баррелла". Сейсмические исследования подтвердили наличие такого маломощного слоя в верхней мантии (на глубинах от 4 км под океаническими рифтами до 200-300 км под континентами), в котором скорость поперечных волн несколько замедляется. Вязкость этого слоя оценена в 3х1020 пуаз, что в сотни раз меньше вязкости выше— и нижележащих слоев [13]. В настоящее время считается, что астеносфера заполнена полурасплавленным мантийным веществом и является генератором базальтовых магм, а местами — средоточием различных рудоносных флюидов [8,201].
Одним из важнейших следствий плейттектоники явилось формирование многочисленных и разнообразнейших месторождений полезных ископаемых в зонах взаимодействия литосферных плит, в том числе многих месторождений нефти и газа. Типической считается пятистадийная модель нефтеобразования в зонах субдукции океанической коры под активные окраины континентов: 1) погружение трехслойной коры (гипербазиты — базальты — пелагические осадки, насыщенные органикой) под континентальную литосферу, в верхние слои мантии и астеносферу 2) метаморфизм всех пород погрузившейся коры в условиях высокого давления и температуры с последовательным образованием нефти и углеводородных газов, магматических расплавов, эклогитов и алмазов 3) миграция газов и нефти кратчайшим путем в зону наименьшего давления — то есть по вертикали, в осадочный чехол активной окраины континента 4) смешивание углеводородов с подземными водами и совместная их латеральная миграция в артезианских бассейнах предгорных прогибов и прилегающей части платформы 5) отделение нефти и газа от вод в тех или иных структурных ловушках [8,337-339].
Веским доводом в пользу образования нефти в условиях верхней мантии является наличие в ее составе n-алканов и их изомеров, для формирования которых необходимы именно высокие температура и давление [7,15]. Предложенной моделью можно было бы довольствоваться (нефть как побочный продукт функционирования тектоники плит), но смущает вышеупомянутое обстоятельство: отсутствие признаков плейттектоники на планетах Солнечной системы. Почему при внутреннем строении земного типа механизм конвекции в них не сработал? А если конвекция все же есть (или была), почему не возникла тектоника плит?
Между тем, объяснение уникальности строения Земли уже дано академиком В.И.Вернадским в его трудах, посвященных биосфере:
1) "текущая геологическая работа идет только в биосфере... Биосфера — это область планеты, наиболее богатая, вероятно, максимальной действенной энергией резко различного характера. В ней господствуют проявления живого вещества и космические силы... скопляется главная масса газов и жидкостей Земли... и должны...резче всего проявляться движения жидкого и твердого вещества планеты" [1,29]
2) "вся вода земной коры представляет как бы единую сплошную водную оболочку...через капиллярные пленчатые воды, проникающие все твердое вещество — горные породы биосферы, стратисферы, метаморфической и гранитной оболочек... составляет несколько процентов земной коры" [1,40]; "подземные воды, когда они будут изучаться более точно, окажутся биокосными телами, проникнутыми живым веществом" [1,72]
3) "Гранитная оболочка есть метаморфизованная (мигматизированная) и переплавленная...биосфера суши" [1,82]
3) "Даже массивные породы, как вулканические, так и плутонические, носят в себе несомненные следы существования живого вещества в условиях их образования" [1,141]
4) "Живое вещество есть мощная геологическая сила, растущая с ходом времени" [1,119]
При всем уважении к академику мало кто из современников принял всерьез эти постулаты. Но теперь, в эпоху торжества тектоники плит их следовало бы переосмыслить. Один из вариантов такого переосмысления предложен в данной статье. Что же является следствием, а что причиной в тектонике Земли?
По последним данным простейшие организмы (цианобактерии и археи) появились в конце раннего архея (3,7 млрд. лет назад): продукты их жизнедеятельности в виде карбонатных пород и кремнистых осадков нередко встречаются среди позднеархейских метаморфизованных образований. При этом их хемотрофные формы предпочтительно селились в районах подводного вулканизма — как это происходит и в наши дни [18]. По вулканическим каналам (в периоды затишья магматической деятельности) они могли и стали проникать с водой вглубь земной коры и под нее. (Доказательство проникновения океанских вод в мантию получено сотрудниками Манчестерского университета [10]).
Более того, белковая жизнь могла возникнуть именно в корнях вулканов: недавние эксперименты показали, что аминокислоты и пептиды могут образовываться в присутствии окиси углерода и сероводорода, а также сульфидов железа и никеля в качестве катализаторов, причем один из этапов синтеза требует обеспечить температуру около 100о и умеренное давление, эквивалентное тому, что существует под землей на глубине 7 км [20,1307-08].
Отмирание организмов в недрах вулканов приводило к постепенному подкоровому накоплению органического вещества. Периодическая активизация вулканов способствовала его метаморфизму с образованием нефти, которая тотчас стремилась уйти от магматического очага. Часть ее фильтровалась вверх, к поверхности коры, но часть мигрировала вбок (вместе с водой), находя какие-то относительно проницаемые "оболочечные" зоны.
Первым следствием этой миграции стала частичная дебазификация мафической коры в результате фильтрации через нее перегретой воды (в проницаемых "лестничных" зонах) с образованием тоналит-трондьемит-гранодиоритовых комплексов — принципиальная возможность этого процесса (при температуре 700о и давлении 5 кбар) была доказана экспериментально [19]. Комплексы ТТГ характерны только для архея: их радиологический возраст варьирует в пределах 4030-2735 Ма [17]; при этом, исходя из изотопного состава Nd в ТТГ-комплексах, их образование в субдукционно-аккреционных конвергентных геодинамических обстановках маловероятно [2].
Длительное функционирование (в течение миллиарда лет) многочисленных локальных центров боковой миграции нефти в прикровельной части мантии (присутствие и устойчивость тяжелых углеводородов в верхней мантии считаются доказанными фактами [11]) привело к смыканию нефтяных "метастаз" и второму следствию: образованию двух новых оболочек Земли в виде маломощной, пропитанной нефтью астеносферы и вышерасположенной литосферы. Произошло это событие, вероятно, на рубеже архея и протерозоя.
Возникновение "нефтяной" астеносферы обособило литосферу от непосредственной сцепки с внутренними напряжениями Земли, хотя не избавило от индуктивной связи с конвекцией в мантии. Отныне тектонические напряжения, возникающие в маломощной литосфере индуктивно, должны были целиком реализовываться в ее пределах. Это привело к формированию в литосфере планетарных разломных линеаментов, по которым вновь образованные ее фрагменты, "плавающие" на астеносфере, стали тектонически взаимодействовать: расходиться над восходящими конвективными ветвями (спрединг) и сталкиваться с наползанием над нисходящими ветвями (коллизия, субдукция, обдукция). То есть началась тектоника литосферных плит, продолжающаяся до сих пор.
Одним из следствий начала плейттектоники стало масштабное образование калиевых гранитоидов над зонами субдукции (обычно в условиях амфиболитовой фации метаморфизма), в воздымающихся фрагментах первичной коры, которые преобразовывались в протоплатформы. Возраст первых ортоклазовых и микроклиновых гнейсо-гранитов варьирует по районам мира от 2750 до 1650 Ма [8;17]. Важным источником кремнезема и калия стал при этом третий, осадочный слой новообразованной океанической коры, погружавшейся под активные окраины. О решающей роли процессов корообразования и терригенного осадконакопления для формирования гранитов ранее уже сообщалось [6]. Неоднократные расколы и коллизии континентов (с сопутствующими гранитизацией и метаморфизмом новообразованных активных окраин) привели к тому, что ныне реликты архейских пород невелики по площади или распознаются с трудом. Преобразование активных окраин более не прерывалось, но уровень сопутствующего регионального метаморфизма в позднем протерозое, палеозое и мезозое обычно не превышал зеленосланцевой фации. Впрочем, зеленосланцевый метаморфизм (с большим участием воды) сопровождался метасоматическими процессами, приведшими к образованию разнообразных рудных месторождений [8,312-316].
Что касается месторождений нефти, то часть из них действительно тяготеет к стыкам платформ и активных континентальных окраин (например, месторождения к востоку от Кордильеро-Андского хребта), но при их формировании возможен немалый приток нефти из астеносферного слоя, подстилающего активную окраину континента. В то же время крупнейшие месторождения обнаруживаются в последние десятилетия в субаквальных отложениях континентального склона на пассивных окраинах континентов (месторождения Мексиканского залива, западного побережья Африки, восточного побережья Бразилии, Гренландии, северного побережья Евразии и др.), что непонятно в свете сложившихся геодинамических представлений. Дело же, видимо, в том, что здесь на стыке пассивной континентальной окраины и океанической коры происходит флексурный перегиб воздымающегося из-под континента астеносферного слоя к субгоризонтальной близповерхностной океанической коре (до глубин 10-20 км.) Этот перегиб благоприятен для высвобождения углеводородов из астеносферы и последующей их локализации в структурных ловушках среди пористых или трещиноватых осадочных пород континентального склона.
Еще более нефтеносными являются замыкающиеся (остаточные) амагматичные океанические бассейны (Персидский залив, Каспийское море, потенциально Черное море и периферические моря Средиземного бассейна), под которыми существуют астеносферные купола (в частности, глубина поверхности Мохо под Южно-Каспийской впадиной достигает всего лишь 30-35 км [16]). Из них вполне вероятен постоянный подток углеводородов, что объясняет стабильные дебиты на давно и масштабно разрабатываемых месторождениях этих регионов [5,208]. Что касается эксплуатации месторождений, возникших на месте полностью замкнувшегося рифейско-палеозойского Уральского океана [3,61], то их подпитка из астеносферы проблематична, так как кровля остаточного астеносферного купола (подошва литосферы) расположена здесь на глубинах 80-100 км [4,20]. (В моем понимании океан этот разделял Русскую и Сибирскую платформы и должен называться Западно-Сибирским).
Зоны срединно-океанических хребтов, где астеносфера совсем близка к поверхности, не являются нефтеносными по причине аккумуляции магматических масс и, соответственно, отгонки углеводородов далеко в стороны.
В литературе, посвященной проблемам нефтедобычи, доминирует мнение об ограниченности ресурсов нефти и скором их исчерпании [15]. Учитывая, что накопление углеводородов под литосферой началось 3,7 млрд. лет и продолжается до сих пор, их потенциальные ресурсы следует признать грандиозными.
Выводы:
1) Тектонические преобразования земной коры обусловлены появлением органической жизни
2) Существование астеносферы обусловлено не постоянным наличием в ее составе магматических расплавов, а водно-нефтяной пропиткой ее субстрата
3) Ресурсы углеводородов в недрах Земли накапливались 3,7 млрд. лет, что гарантирует их потребление в исторически обозримом будущем.
4) Побочный вывод: поиски жизни на планетах Солнечной системы обречены на неудачу, так как эти планеты не имеют признаков плейттектоники.
Литература.
1) В.И.Вернадский — Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука. — 2001.— С.376
2) А.Б.Вревский и др. — Геологические, петрологические и изотопно-геохимические ограничения геодинамических моделей образования архейских тоналит-трондьемит-гранодиоритовых ассоциаций древних кратонов. // Геотектоника. 2010. Љ4. С 20-38
3) В.П.Гаврилов — Геодинамическая модель нефтегазоносности Западной Сибири.
// Геология нефти и газа. — 2012. Љ3. С.60-64
4) Геология и полезные ископаемые России. Т.2. Западная Сибирь (редакторы А.Э.Конторович, В.С.Сурков). С.Петербург. Изд. ВСЕГЕИ. 2000. С.476
5) Н.П.Запивалов — Динамика жизни нефтяного месторождения.//Известия ТПУ. 2012. т.321, вып.1. С.206-211
6) Л. В. Махлаев. Граниты — визитная карточка Земли (почему их нет на других планетах) //Соросовский образовательный журнал, Љ3, 1999. С. 95-102.
7) М.В.Родкин — Теории происхождения нефти: тезис — антитезис — синтез //Химия и жизнь. — 2005.Љ6. с.14-17.
8) О.Г.Сорохтин, С.А.Ушаков — Развитие Земли. М.: Изд-во МГУ, 2002. с.506.
9) Хал Хеллман. Великие противостояния в науке. Десять самых захватывающих диспутов — Глава 8 Вегенер против всех. = Great Feuds in Science: Ten of the Liveliest Disputes Ever. — М.: "Диалектика", 2007. с. 320.
10) Десять процентов океанических вод находятся в мантии Земли .http://science.compulenta.ru (20.11.2013)
11) Зубков В.С. Тяжелые углеводороды в мантийном флюиде (Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук) — 35 с. [Электронный ресурс]
12) Карты поверхности. Пояснительный текст. [Электронный ресурс] http//www.planetmaps.ru/atlas/surface-maps.html (19/11/2013)
13) Литосфера и астеносфера. [Электронный ресурс] http://www.pppa.ru/additional/04geo05.php (19/11/2013)
14) Планеты земной группы. [Электронный ресурс] http://ru.wikipedia. org/wiki (19.11.2013)
15) Мировые запасы нефти [Электронный ресурс] http://ru.wikipedia. org/wiki/ (19/11/2013)
16) Модель глубинного строения Южно-Каспийской впадины (Хаин, Богданов, 2003) [Электронный ресурс] wdcb.ru.>sep/sedimentary_basins/Caspsea/models...mod...(17.11.2013)
17) В.М.Скобелев и др. Геохронология архейских образований Канадского щита. [Электронный ресурс] archive.nbuv.gov.ua.>Портал Наукова перiодика> Mineral/2004_3/13.pdf. — (17.11.2013)
18) Удивительный мир черных курильщиков [Электронный ресурс] http://greenword.ru/2010/07/black-smokers.html (19.11.2013)
19) Л.И.Ходоревская. Экспериментальное исследование гранитообразования по породам основного состава (Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук) — 40 с. [Электронный ресурс] http.//geo.web.ru»db/msg.html...(19.11.2013)
20) Wächtershäuser, G. (August 2000). "Life as we don't know it". Science 289 (5483): 1307-8. [Электронный ресурс] DOI:10.1126/sciens.289.5483.1307. PMID 10979855. — (18.11.2013)
