Геологи продолжают искать причины роста Мирового океана

Человечество изучает Мировой океан с конца XV века, однако интенсивные инструментальные исследования начались только в 1950-е годы. При этом многое в жизни океанов до сих пор остается тайной…

В 2013–2014 годы в РАН был издан фундаментальный двухтомник «Мировой океан». О происхождении Мирового океана в нём сказано, что «теоретически есть два варианта, откуда могла появиться вода на поверхности Земли после ее образования». Первый – эта вода выпала на поверхность планеты из ее плотной первичной атмосферы после остывания поверхности нашей протопланеты до температуры ниже кипения воды. Второй – вода выделилась на поверхность молодой Земли и в атмосферу при кристаллизации океана магмы, который имел толщину не менее 200 км. Понятно, что для того, чтобы стать красивым эллипсоидом вращения, на раннем этапе вся Земля должна была быть расплавленной или достаточно вязкой.

В апреле 2023 года на англоязычном канале SPACE появилось новое исследование, в котором говорится, что Земля сама синтезировала первоначальный объем воды. На молодой планете выделилось металлическое ядро, каменная мантия и мощная водородная атмосфера. Вода могла образоваться в результате химических реакций между богатой водородом атмосферой и огромным океаном магмы на поверхности планеты. В таких условиях вода стала естественным побочным продуктом химических процессов на поверхности планеты. В результате к нашему времени сформировалась преимущественно азотная атмосфера и водная оболочка.

Тектоника литосферных плит – доминирующая в настоящее время геодинамическая теория. После длительных дискуссий, продолжавшихся не одно десятилетие во второй половине ХХ века, сторонники мобилизма (то есть дрейфа континентов на планете фиксированного размера) взяли верх над фиксистами (у которых континенты всегда оставались на своих местах), а также над сторонниками неуклонного расширения или пульсации нашей планеты.

Согласно мобилистам, Мировой океан – такого же объема, как сегодня – сформировался не менее 3 млрд лет назад. И тогда же будто бы начался дрейф континентов, между которыми неоднократно раскрывались и схлопывались океаны. Однако многие российские геологи, изучая осадочные породы, пришли к выводу о том, что свободная вода на поверхности Земли появилась относительно недавно, и эволюцию гидросферы нашей планеты можно разделить на несколько этапов: 1) в верхнем рифее менее 1 млрд лет назад появились первые озера и болота; 2) мелководные моря появились в начале фанерозоя, 300–400 млн лет назад; 3) образование глубоководных океанов началось менее 200 млн лет назад.

«Весь объем океанских вод образовался за последние 200 млн лет. Если допустить, что палеозойские моря покрывали 25% площади современной материковой коры, а средняя их глубина была 200 м, то объем свободной воды на Земле к началу океанообразования составлял всего 7% от современного…» - писал в своей книге профессор геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова В.В. Белоусов.

Разнообразные геологические данные говорят именно о таком сценарии эволюции Земли.

Хотя в современных океанах дно очень молодое по геологическим меркам, и нет доказательств существования древних океанов, мобилисты стоят на своем: «Древняя океаническая кора была. Но… она утонула!» И в апреле 2023 года появилась спасительная для мобилистов статья – сначала на англоязычном сайте Live Science («Живая наука»), а затем – на русском языке на сайте «Моя планета». В названии на русском языке скромно написано, что «вокруг Земли найдена древняя структура». Но в английском оригинале прямо сказано, что «ядро Земли охватывает древнее океаническое дно».

Утверждается, что ученые в течение трех лет регистрировали волны от землетрясений на 15 сейсмологических станциях в Антарктике, в результате чего «впервые получено высокоразрешающее изображение границы между ядром Земли и мантией. Обнаружен новый тонкий слой, залегающий на глубине примерно 2900 км – там, где расплавленное металлическое внешнее ядро граничит с каменной мантией. Скорее всего этот новый слой представляет собой древнюю океаническую кору, погребенную под другими слоями за многие миллионы лет истории Земли».

При сейсморазведке на нефть и газ для достоверного картирования тонких пластов – мощностью 30 м на глубине 3 км, то есть 1% от глубины залегания, на поверхности земли – ставят тысячи и десятки тысяч сейсмоприемников. Все для того, чтобы получить точную информацию о скоростях пробега волн и их коэффициентах отражения. Затем полученные данные конвертируются в физические свойства пластов и позволяют оценить их пористость и нефтенасыщенность.

В нашем же случае говорится всего лишь о 15 пунктах наблюдения, разбросанных на тысячи километров вокруг Антарктиды… Сейсмологические наблюдения по такой редкой сети пунктов наблюдения вряд ли способны обеспечить не только достоверное изучение состава, но и геометрию относительно тонких пластов на таких огромных глубинах.

Другое исследование, выполненное китайскими учеными совместно с Юрием Баркиным из Государственного астрономического института им. Штернберга, вызывает большее доверие и имеет более важные практические результаты. Их работа была опубликована на английском языке в журнале «Геодезия и геодинамика» и называется «Доказательства расширения твердой поверхности Земли по космогеодезическим данным и подъем уровня моря за последние 20 лет».

В кратком содержании читаем: «Хотя большинство ученых придерживается точки зрения, что в течение геологического времени Земля не меняла своих размеров и не подвергалась значительному расширению или сжатию, множество палеонтологических, палеомагнитных, палеоклиматических и геолого-геодезических данных свидетельствуют в пользу гипотез расширяющейся Земли. Данные спутниковой высотометрии, полученные в течение последних 20 лет, показывают, что твердая поверхность Земли повышается на 24 сотых мм/год. В то же время средний уровень моря поднимается на 3,2 мм/год, из которых 1,8 мм/год приходится на таяние ледников на суше. Также уровень океанов поднимается на 1,0 мм/год в течение последних 50 лет благодаря тепловому расширению воды. Остаются 0,4 мм в год повышения уровня океана по неизвестной причине. И в данном исследовании сделан вывод, что это благодаря расширению Земли поверхность океанов дополнительно поднимается на 0,4 мм/год в течение двух последних десятилетий».

Любопытно, что такие маленькие изменения уровня твердой поверхности Земли и уровня Мирового океана могут трактоваться совершенно противоположным образом. Точность определения высот по космогеодезическим данным на сегодняшний день равна двум десятым мм. Соответственно противники расширения Земли заявляют, что Земля не расширяется с точностью до 0,2 мм в год. А сторонники расширения Земли могут говорить, что Земля расширяется на 0,2 мм в год. Если иметь в виду геологические масштабы времени – миллионы и даже миллиарды лет, то эти цифры имеют значение!

Уровень Мирового океана на самом деле меняется гораздо быстрее, чем показывают результаты интерпретации космогеодезических данных. Мы видим много примеров ощутимого подъема уровня моря в современную эпоху. Все знают, например, о борьбе Нидерландов с наступающим морем. С конца XIX по конец XX века Нидерланды реализовали несколько грандиозных проектов по защите населения от наводнений. Общая длина дамб составляет 3500 км, из которых 1430 км – это речные дамбы, 1017 км – дамбы вокруг озер, 430 и 260 км – береговые дамбы и дюны соответственно. При отсутствии береговых укреплений около 70% территории Нидерландов уже было бы затоплено морем.

Изменения уровня Мирового океана отслеживаются во многих странах с середины XIX века. Установлено, что уровень воды повысится от 40 см до 2 м. Это станет очень серьезной проблемой для некоторых островных государств, расположенных на атоллах в Индийском и Тихом океанах. Ведь высота атоллов обычно не превышает 2–3 м над уровнем океана.

Есть два очевидных источника дополнительной свободной воды на поверхности Земли.

Десять лет назад под эгидой Американского геофизического союза (AGU) была опубликована статья под названием «Выкачивание подземных вод дает вклад в подъем глобального уровня моря». В статье было отмечено, что «большая часть подземных вод, выкачиваемых с целью орошения или снабжения питьевой водой, не попадает обратно в почву, а испаряется в атмосферу и возвращается на поверхность земли в виде осадков, в конце концов стекающих по рекам в океан и повышающих его уровень. Выкачивание подземных вод приводило к повышению уровня моря на 0,035 мм/год в 1900 году и на 0,57 мм/год в 2000 году. И вероятно, этот показатель увеличится до 0,82 мм/год к 2050 году».

В июне 2023 года вышла новая статья под эгидой AGU о существенном вкладе выкачивания подземных вод в подъем глобального уровня моря в период с 1993 по 2010 год. Авторы статьи констатируют: «…Таяние полярных ледяных шапок и горных ледников, связанное с текущим потеплением климата, рассматривается как главная причина подъема уровня моря. Но важную роль играет и антропогенный фактор из-за выкачивания подземных вод в целях орошения. С 1992 по 2010 год общий объем откачки подземных вод мог составить 2150 Гт (Гигатонн), что эквивалентно подъему уровня моря более чем на 6 мм. Однако прямые доказательства этой оценки отсутствуют».

Вторая причина ускоренного повышения уровня моря – вынос воды на поверхность Земли гейзерами и вулканами. Очень интересная и важная статья на эту тему опубликована в 2023 году Г.И. Арсановой, старшим научным сотрудником Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН. Статья называется «Концептуальная модель гейзерной геологической структуры». После многолетних исследований камчатских гейзеров Арсанова пришла к выводу, сильно отличающемуся от общепринятых взглядов, поэтому ей пришлось опубликовать работу в специализированном периодическом и интернет-журнале The scientific heritage (2023 г. № 107).

Гейзеры – это довольно редкое природное явление. Они возникают группами на небольшой площади в пределах гейзерного поля (или гейзерной площадки) вне зависимости от климатических условий местности – и в пустынях, и на побережьях морей, и высоко в горах. Гейзерных площадок на всей Земле немного – известно всего шесть. Правда, есть еще редкие единичные выходы. Гейзеры «живут» недолго по геологическим масштабам: возраст имеющихся гейзерных полей оценивается от десятков до сотен тысяч лет. Это означает, что комплекс условий для возникновения гейзерной площадки складывается нечасто и существует недолго.

Основная ныне действующая гипотеза возникновения гейзеров – это гипотеза нагрева. Согласно ей, сначала по открытым полостям и трещинам подземные воды опускаются в окружающие породы и обогащаются минеральной и газовой составляющей. Затем эти циркулирующие воды нагреваются от контакта с неглубокими магматическими телами и в результате происходит выброс горячей воды на поверхность. Но Арсанова считает, что накопившийся фактический материал в эту гипотезу давно не вписывается и что гейзерная вода имеет глубинное происхождение. «Наблюдаемый минеральный состав гейзерной воды не есть следствие контакта горячей воды – как растворителя – с вмещающими породами».

Ранние представления о хлоре как извлеченном из седиментационных вод – в прошлом; сегодня хлор гейзерной воды всеми учеными признается глубинным. Уникален микрокомпонентный состав гейзерных вод как по набору, так и по высокому уровню содержаний металлов. В гейзерной воде есть литий, рубидий, цезий, бериллий, ниобий, молибден, вольфрам, кадмий, бор, титан, свинец и много других элементов, включая уран. Содержание некоторых химических элементов настолько высоки, что гейзерные воды представляют определенный интерес как источник попутного извлечения металлов. Например, воды Паужетского гидротермального месторождения ежегодно сливают в Мировой океан порядка 2,5 т цезия и 25 т лития. При мировой цене цезия 40 евро за грамм только на Паужетке в океан ежегодно вытекает 100 млн евро!

Главный вывод Арсановой: на земную поверхность действительно постоянно поступает новая вода, а часть поверхностной воды планету покидает – через атмосферу в космос.

Помимо гейзеров и вулканов, выбрасывающих глубинную воду на поверхность земли, есть и так называемые черные курильщики – гидротермальные источники, приуроченные к осевым частям срединно-океанических хребтов на дне океанов. Из них в океаны поступает горячая минерализованная вода, часто с температурой выше 200 градусов под давлением в сотни атмосфер. Эта вода отличается по составу от морской. Дно Мирового океана еще недостаточно детально исследовано, чтобы сделать количественные оценки, какие объемы воды поступают из «черных курильщиков» в Мировой океан.

Часто можно услышать возражение, что в одних местах уровень моря поднимается, а в других – снижается. Например, у всех на слуху история Аральского моря, которое является, по сути, бессточным озером в Центральной Азии. На картах прошлого века Аральское море имело значительную площадь. Это было четвертое в мире озеро по площади. Но с 1960-х годов это озеро стало резко мелеть из-за возросшего разбора воды на орошение из рек Амударья и Сырдарья. Сегодня обнажилось более 50 тыс. кв. км бывшего морского дна, покрытого солью…

Хотя Россия, Бразилия и Канада являются государствами, которые лучше всего обеспечены пресной водой, эксперты ООН считают, что и в этих странах может проявиться дефицит воды уже к 2040 году. Генеральный секретарь ООН Антониу Гутерриш подчеркивает, что вода – это «кровь человечества», и она истощается из-за нерационального использования и загрязнения, а глобальное потепление увеличивает сезонную нехватку воды. Гутерриш отметил, что запасы пресной воды на планете в расчете на душу населения сократились за последние 20 лет более чем на 20%. В ООН обращают внимание на то, что свыше 3 млрд человек живут в сельскохозяйственных регионах мира, где наблюдается нехватка воды.

Научный руководитель Института водных проблем РАН Виктор Данилов-Данильян предупреждает: «Россия хорошо обеспечена водными ресурсами. Но они распределены очень неравномерно. Так, в европейской части страны сосредоточено только 20% водных ресурсов, тогда как 80% – в азиатской части страны. При этом население и экономическая активность распределены ровно наоборот. В этом смысле, если в России потреблять воду будут как попало, то страна может столкнуться с водным кризисом в европейской части РФ уже к 2040 году».

Несмотря на то что, согласно доминирующим сегодня научным представлениям, мы живем на планете фиксированных размеров и с неизменным объемом воды в океанах, новые исследования показывают, что лик Земли на самом деле непрерывно менялся в геологической истории Земли. Этот процесс продолжается.

Но для того, чтобы сделать выводы о повышении уровня Мирового океана и увеличении общего объема воды на Земле, нужны длительные наблюдения. Далеко идущие выводы пока делать рано. Геологам известно о многократных изменениях климата, оледенениях и глобальных колебаниях уровня Мирового океана в различные геологические эпохи, так что сегодняшние тенденции могут оказаться кратковременными.

Главное – сберечь нашу уникальную планету, чтобы и для наших потомков она была таким же комфортным домом.