Статья: История планетарной воды

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 из графика (см. рис. 16).

Если же продолжить линию графика вверх до пересечения с осью скоростей (или допустить t= 0), то она пересечет ось V(t) в районе значения 605 мм/1000 лет, или 0,605 мм/год.

Изучая полученный график, мы прежде всего должны отметить поразительную согласованность данных по различным океанам – Тихому, Атлантическому и Индийскому. Подобная согласованность полуэмпирических параметров не может быть случайной для столь большого массива исходных данных. Впервые количественно найденная закономерность позволила подойти к решению целого ряда фундаментальных проблем. Но прежде, чем мы приступим к их рассмотрению, покажем, что найденная закономерность отражает не только скорость опускания дна океана в послеюрский период геологической истории, но и темпы выноса внутрипланетарной воды на поверхность Земли.

Планета, извергающая воду. Начало резкого подъема кривой опускания дна (см. рис. 16) приходится на интервал времени 50 – 60 млн. лет назад. Этот интервал совпадает с самым ярким рубежом геологической истории Земли, отделяющей мезозойскую эру от кайнозойской. Если бы формирование гигантских впадин происходило без их одновременного заполнения водой, то произошло бы катастрофическое осушение континентов, резкое изменение климата и органической жизни в кайнозойскую эру. Одновременно бурные потоки воды образовали бы глубокие каньоны на континентальных окраинах, а на дне океанических впадин возникли бы гигантские шлейфы галечников, выносимых этими потоками. Однако ничего этого не наблюдается на самом деле, так же как и следов катастрофического осушения материков в последние 60 млн. лет. Но может быть, формирующиеся впадины заполнялись водой, сливающейся с материков? И на этот вопрос мы должны ответить отрицательно, так как подавляющая часть морских осадочных отложений суши не только кайнозоя, но и прошлых эпох является преимущественно мелководной. Это значит, что в пределах современной суши никогда не было глубоководных и обширных океанов, подобных современным. В настоящее время во всех водоемах суши масса воды не превышает 3% от массы воды Мирового океана. Следовательно, вклад материковых вод совместно с водами, находившимися в пределах опускающейся суши и мелководных морей, был весьма незначительным и не превышал нескольких процентов от современной массы воды Мирового океана. К тому же он зафиксирован в ненулевом уровне кривой нашего графика в интервале 165 – 170 млн. лет.

Полученный вывод подтверждается широким распространением мелководных осадков и даже континентальных отложений в последние 165 – 25 млн. лет на месте современных океанов. Таким образом, построенный нами график характеризует не только среднюю скорость опускания различных участков дна в пределах Атлантического, Тихого и Индийского океанов, но отражает также скорость поступления внутрипланетарной воды на поверхность Земли. Отсюда ясно, что опускавшееся дно формировавшегося в кайнозое океана одновременно заполнялось водой, поступавшей из недр Земли. Она поднималась вместе с вулканическими извержениями и по многочисленным глубинным разломам каменной оболочки. Следы этого вулканизма запечатлены в мощном, почти двухкилометровой толщины, плаще базальтовых пород, покрывающих большую часть площади дна современного океана.

Удивительная картина последних 160 млн. лет истории Земли открывается нашему взору при анализе графика (см. рис. 16, с. 65). Оказывается, что даже в этот крайне небольшой отрезок времени вода на поверхность планеты выносилась отнюдь не так равномерно, как это предполагалось учеными. Если до рубежа мезозоя и кайнозоя (60 млн. лет) скорость ее поступления составляла всего 25 – 30 мм/1000 лет, то позднее, в кайнозое, происходит ее быстрое увеличение. В настоящее время планета извергает воду с максимальной за последние 160 млн. лет скоростью, равной 605 мм/1000 лет, или около 0,6 мм в год. Сюда не входит количество воды, идущей на увлажнение непрерывно накапливающихся морских осадков, биосферы, теряющейся в атмосфере и др., т.е. величину 0,6 мм в год следует рассматривать как нижнюю границу возможных темпов выноса на поверхность планетарной воды. Расчеты показывают, что подлинная цифра приближается к 1 мм в год. Много это или мало?

Если подходить к полученному значению скорости дегидратации земных недр с обыденных, житейских позиций, то этот миллиметр мы и не заметим даже при высокоточных измерениях. Однако, если измерять время тысячами лет, счет пойдет уже на метры. А это весьма ощутимо меняет наше представление о консервативности сложившихся условий обитания на Земле. К тому же следует учитывать и другие факторы, приводящие к подъему уровня моря.

Итак, столетние наблюдения на водомерных постах по берегам морей и океанов показали, что уровень океана действительно поднимается со средней скоростью 1,5 мм в год. До сих пор этот подъем объясняли потеплением климата. И действительно, климат за это же время теплел, с 1880 по 1980 гг. температура поднялась в среднем на 0,8°С. Спутниковыми наблюдениями и непосредственными исследованиями в Антарктиде и Гренландии установлено, что ежегодно происходит сокращение их ледниковых покровов примерно на 250 км3. Это соответствует подъему уровня океана на 0,7 мм в год. Кроме того, воду вытесняют терригенные осадки, выносимые реками в океан, ежегодный объем которых составляет 7 км3, или 0,02 мм по уровню. Еще меньше поднимается уровень за счет ежегодных поступлений 1 км3 вулканического материала. Следовательно, оставшаяся от 1,5 мм часть – 0,78 мм в год – поступает не за счет климатических потеплений. Это глубинная, внутрипланетарная вода, выносимая с продуктами вулканизма и по глубинным разломам. Как видим, полученная независимым путем цифра мало отличается от рассчитанной нами выше величины 0,605 мм в год. Таким образом, в балансе воды необходимо учитывать внутрипланетарную составляющую, равную 0,6 – 1,0 мм в год. Если умножить эту цифру на плотность морской воды и объем впадин Мирового океана, то мы получим массу ежегодных поступлений глубинной воды на поверхность Земли. Она равна 3,6×1017 г.

Таким образом, в объеме ежегодно поступающих в океан вод присутствует постоянная в историческом плане статья, равная 0,6 – 1,0 мм по уровню и 3,6×1017 г по массе, не зависящая ни от каких климатических изменений.

Теперь нетрудно понять – если темпы поступления глубинной воды будут превышать скорость углубления дна океана, т.е. емкость океанических впадин не будет увеличиваться, то избыток воды выплеснется на прилегающую сушу, затопит низменные пространства материков, начнется трансгрессия – наступление моря на сушу. Если же темпы поступления воды будут меньше скорости проседания дна, то растущие впадины океана поглотят избыток воды и начнется регрессия моря, т.е. осушение низменных территорий материков.

Известные нам примеры затопления Голландии, Средиземноморья, других районов свидетельствуют, что мы живем в эпоху трансгрессии, в эпоху быстрого наступления океана на сушу. Об этом говорит и весь ход графика скорости поступления воды за последние 60 млн. лет (см. рис. 16, с. 65).

Ну а сколько воды Земля теряет ежегодно при фотолизе в космическое пространство? Чтобы найти и эту статью баланса, определим из графика среднюю скорость выноса воды на поверхность за последние 160 млн. лет. Она равна 0,1 мм в год, или 3,6×1016 г/год. Следовательно, за период океанообразования, т.е. за последние 60 млн. лет, из недр Земли на поверхность было переброшено 2,2×1024 г воды. Это на 0,6×1024 г больше массы воды в современном океане, равной 1,60×1024 г. Куда же девалась эта огромная масса воды? Полученный избыток характеризует объем потерь на увлажнение морских осадков 0,1×1024 г и биосферы. Оставшаяся часть (0,50×1024 г) была утрачена Землей при фотолизе в верхних слоях атмосферы. Отсюда находим, что средние ежегодные потери в космос составляют примерно 7×1015 г, или около 20% от современных ежегодных поступлений воды на поверхность планеты. Современный баланс земной гидросферы отражен на рис. 17. Так мы нашли еще одну неизвестную ранее статью баланса земной воды – потери в космическое пространство. Теперь мы знаем, сколько наша планета ежегодно получает свободной воды и сколько ее теряется безвозвратно (табл. III.3). А это уже создает предпосылки для разработки научного прогноза грядущих изменений площади суши и моря на поверхности Земли, а с ними особенностей будущего климата и условий жизни.

Таблица III.3

Круговорот воды на поверхности Земли

Статья оборота	Масса, г.	Объем, км3
Континент
Осадки	1,08×1020	108×103
Испарение	0,62×1020	62×103
Поверхностный и подземный стоки	0,46×1020	46×103
Океан
Осадки	4,09×1020	409×103
Испарение	4,55×1020	455×103
Воздушный перенос	0,46×1020	46×103
Земля в целом
Эндогенные поступления	3,6×1016	37
Фотолитические потери	0,7×1016	7,2

Рис. 17. Современный баланс земной гидросферы

Но прежде разберемся, какими водными ресурсами располагает наша планета. Несмотря на свой почтенный возраст, она, как мы видим, на исходе своих 4,5 млрд. лет вдруг обнаруживает бурную активность. В самом деле, за всю предыдущую историю, как показывают расчеты (Орлёнок, 1985), было произведено почти столько же воды (4,2×1024 г), сколько за последние 60 млн. лет. А это означает, что земной океан мог возникнуть лишь в кайнозое, т.е. это очень молодое геологическое образование. В прошлом, вследствие малого количества свободной воды и низких (более чем на порядок) темпов ее поступления, могли существовать лишь мелководные моря, более или менее равномерно рассеянные по лику Земли. Если исходить из современных темпов подъема уровня моря, наблюдаемых в последние 100 лет (1,5 мм/год), то за 1000 лет подъем составит 1,5 м. Согласившись со сторонниками равномерного поступления внутрипланетарной воды на поверхность Земли, мы при данной скорости подъема уровня только за последние 50 млн. лет получим совершенно абсурдную цифру прироста толщины вод океана – 75 км. Отсюда следует, что в последнее время темпы заполнения океанских впадин водой были значительно более высокими, чем в прошлом. Причина тому – не общее потепление климата, ибо климат – явление вторичное и зависит от соотношения площади суши и моря. Речь может идти только о возросших темпах поступления воды из земных недр (табл. III.3).

Вода на Земле в далеком прошлом. Теперь мы знаем, что основная масса воды на Земле поступила из ее недр, т.е. имеет “земное” происхождение. Космос дает ничтожно мало – десятитысячную долю процента. Поэтому в расчетах этим фактором можно пренебречь.

Рассмотрим более подробно вопрос: какими водными ресурсами располагает планета и какой механизм транспортирует воду на поверхность?

То, что океанизация сопровождается активным вулканизмом, наводит на мысль: а не является ли он источником свободной воды на Земле?

Как показал вулканолог Е.К. Мархинин, в продуктах современных вулканических извержений вода действительно присутствует в виде паров, растворов и входит в состав магм. Ее среднее содержание при этом достигает 4 – 5% от массы вулканического материала. На поверхность Земли ежегодно перебрасывается из недр 9 млрд. тонн магмы, пепла, газов и различных паров, т.е. 9×1015 г. По единодушному мнению ученых, напряженность вулканизма в истории Земли была в среднем близка к современной. Поэтому, умножив цифру 9×1015 г на период геологической активности 4,5×109 лет, получаем 4,2×1025 г. Столько вулканического материала было выброшено на поверхность. Если весь его равномерно рассыпать по поверхности Земли, то получится слой толщиной 30 км! Таким образом, можно заключить, что верхняя часть каменной оболочки Земли – ее земная кора – сформирована продуктами вулканизма, а все ее слои некогда побывали на земной поверхности, испытали окисление атмосферным кислородом и преобразование в результате жизнедеятельности организмов.

Зная общую массу вулканического материала, можно определить, сколько воды принесли вулканы на земную поверхность: 5% от 4,2×1025 г составляет 2,1×1024 г. Но в течение всей геологической летописи Земли вода непрерывно (со скоростью около 2,0×1015 г в год) терялась при фотолизе. Ее общие потери составили около 2,58×1024 г.