1. Озонная методика и результаты изучения глобальной дегазации.
Предлагаемая методика позволяет на экране компьютера увидеть выделение водорода на планете в режиме реального времени (Сывороткин, 2006а). Методика базируется на «водородной» концепция разрушения озонового слоя, подразумевающей синхронность процесса усиления водородной дегазации и снижения общего содержания озона (ОСО) над центром дегазации (Сывороткин, 1993, 2002). Таким образом, отрицательные аномалии общего содержания озона на картах ОСО рассматриваются как следы водородных выбросов.
Водородная концепция разрушения озонового слоя основана на предположении о возможности взаимодействия эндогенных флюидов – водорода и метана со стратосферным озоном. Легкие газы, выделившиеся из глубин Земли на ее поверхность, быстро поднимаются до стратосферных высот, где активно реагируют с озоном. Водород и метан - озоноразрушающие газы. Водородный цикл разрушения озона, открытый в 1965г., включает в себя более 40 реакций и прерывается с образованием воды. Вода на стратосферных высотах застывает с образованием стратосферных облаков. С точки зрения химии, наша гипотеза не является оригинальной. Мы лишь привлекаем внимание специалистов к геологическим источникам озоноразрушающих газов, которые ранее не учитывались специалистами в области химии атмосферы. Глубинные потоки водорода, метана, азота и часто сопровождающего их гелия и других газов - объективная реальность, подтверждаемая инструментальными измерениями. Важной особенностью процесса глубинной дегазации является неравномерность его, как во времени, так и в пространстве. Основной поток глубинных восстановленных газов разгружается в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов (Войтов1986), что дает нам право называть их главными каналами дегазации Земли (рис 1).
Рис. 1. Основные стволы Мировой рифтовой системы – главные каналы глубинной дегазации (Сывороткин, 1997).
Рассмотрим размещение наиболее устойчивых планетарных озоновых аномалий и их геологическую позицию. Веским аргументом в пользу водородной концепции разрушения озонового слоя является местоположение озоновых аномалий, а точнее их геологическая позиция. Географический параметр прекрасно задокументирован, т.к. ИСЗ с озонометрической аппаратурой на борту практически ежедневно поставляют планетарные карты общего содержания озона (ОСО). Измерения ОСО из космоса проводятся с 1978г. со спутников Nimbus-7 по 1993г, Метеор-3 (1991-1994), ADEOS (1996-1997г.г.), EarthProbe (1996г. - 2005г. OMI (2006г. - настоящее время) приборами ТОМС по поглощению солнечного света в ультрафиолетовом диапазоне.
Кроме того, мониторинг ведется приборами SBUV GOME со спутников NOAA и ERWS-2, определяющими ОСО по поглощению в инфракрасной области солнечного спектра. Измерение ОСО также регулярно производится более чем на 150 наземных озонометрических станциях, причем наблюдения на швейцарской станции Ароза были начаты в 1926г. Сказанное выше означает, что к настоящему времени накоплен огромный массив данных о конфигурации планетарного поля озона и его ежесуточных трансформациях, однако с геологической точки зрения эти карты никто не рассматривал.
Напомним, что в рамках нашего метода особенности планетарного поля ОСО интерпретируется как временные и пространственные характеристики водородной дегазации.
Общеизвестно, что Антарктика – регион, над которым озоновый слой испытывает наиболее сильное и частое разрушение. Мы объясняем это тем, что срединно-океанские хребты (рифты) максимально сближаются возле Антарктиды, где и сливаются в единый Циркумантарктический рифт (сливаются, обращаем особое внимание) своими южными, т.е. более активными, более разогретыми сегментами (см. рис. 1). Таким образом, Антарктида - это участок планеты, над которым суммируются наиболее обильные потоки восстановленных флюидов. Другими словами, атмосфера над Антарктидой подвержена максимальной в земных условиях продувке природными озоноразрушающими газами, поэтому эффект разрушения озонового слоя выражен наиболее сильно именно здесь. Внутри самой Антарктиды также можно ожидать эффекта разгрузки (подледной) глубинных флюидов. Наибольшая эндогенная активность Антарктиды отмечается на продолжении основных стволов океанских рифтов (рис. 2).
 Рис. 2. Южное полярное сочленение основных стволов мировой рифтовой системы (Черное – материки; белое – океаны; крапом – рифтовые зоны).
Принципиально важные для водородной концепции результаты были получены в ЦАО Росгидромета под руководством В.И.Бекорюкова (Атлас…, 1990). Здесь были проанализированы все ряды наблюдений мировой наземной сети озонометрических станций с целью выявления тех из них, где наиболее часто регистрировались пониженные значения ОСО. В результате проведенных исследований установлены три наиболее устойчивых озоновых минимума Северного полушария - о.Исландия, Красное море, Гавайские острова (рис.3). Нетрудно заметить, что все названные пункты максимально удалены от промышленных районов, но являются наиболее активными участками рифтовых систем - центрами толеитового вулканизма. Они отличаются интенсивной современной вулканической деятельностью, которая сопровождается потоками восстановленных газов.
Рис.3. Области минимального содержания озона в атмосфере Северного полушария Земли в октябре (усредненные данные мировой сети озонометрических станций (по В.И. Бекорюкову и др.). 1 – области минимального содержания озона: I – Исландия, II – Гавайские острова, III– Красное море; 2 – общее содержание озона в Д.Е.
Важная особенность этих центров - чрезвычайно высокие отношения изотопов гелия 3He/4He, равные n.10-5 (Поляк и др., 1979), что указывает на глубинную природу газовых потоков и (или) молодость дегазирующей системы.
Долгое время считалось, что озоновый слой в экваториальной зоне планеты отличается стабильностью, а разрушение его происходит только в полярных районах. В начале 1998г. специалистами ЦАО Росгидромета при обработке спутниковых данных был выявлен целый ряд отрицательных аномалий поля ОСО в экваториальной зоне (рис.4).
Рис. 4. Области аномально низкого содержания озона в близэкваториальной зоне в январе 1998г. (Воздействие…, 1998). 1 – области отрицательных аномалий ОСО; 2 – отклонение ОСО от среднемесячной нормы в единицах стандартного отклонения.
Центр наиболее мощной озоновой аномалии, где среднемесячный дефицит ОСО достигал 30%, абсолютно точно расположился над наиболее активной зоной Восточно–Тихоокеанского поднятия (ВТП). Здесь в 15-20 градусах южнее экватора на дне океана еще в 1979г. были обнаружены 9 водородных источников (Welham , Graig, 1989), в осевой части ВТП фиксируется аномально высокий даже для срединно-океанских хребтов тепловой поток . Это участок высокой сейсмической активности, здесь же инструментально измерена самая высокая скорость спрединга, достигающая 15-24 см/год(Walker, 1995). Отношения изотопов гелия в газовых эманациях достигают здесь величин n х 10-5 (Поляк и др., 1979).
Уникальность этого участка ВТП привлекает внимание ученых. В 1994 году американо – французско - японская экспедиция обнаружила здесь самую мощную в мире действующую парогидротермальную систему. В районе 17°ю.ш. выполнен Международный геофизический эксперимент MELT – (Электромагнетизм и томография мантии) (Forsyth, 1998). Сейсмические исследования показали, что зона аномально низких скоростей распространяется до глубин 150-200км. Электромагнитные исследования установили электропроводность мантии до глубин 180-200км. Низкоскоростной район прослеживается на запад от хребта на расстояние 250км, а на восток только на 100км. Самые низкие скорости наблюдаются не точно на оси хребта, а несколько западнее его. Приведенные данные указывают на присутствие здесь огромного мантийного магматического очага.
Озоновые аномалии над территорией России образуют пять обособленных групп, четыре из которых имеют явно выраженную меридиональную ориентировку. Перечислим их с запада на восток: Урало-Каспийская, Западно-Сибирско-Памирская, Восточно-Сибирская, Сахалино-Индигирская. Пятая обособленная группа центров расположена над северо-западом европейской части России. Она относительно изометрична в плане. Ее можно назвать Беломоро-Балтийской или Скандинавской. Основная часть центров аномалий ОСО расположена здесь над Белым морем и Кольским полуостровом.
На рис. 5 а изображены центры озоновых аномалий. Анализ данной карты позволяет сделать вывод о тектоническом контроле положения центров отрицательных аномалий поля ОСО. Контролирующие структуры – дегазирующие зоны субмеридиональных разломов. В их пределах разными авторами, в разное время и разными методами были зафиксированы повышенные потоки глубинных газов: водорода, метана, гелия, радона и др. Водородно-метановые источники обнаружены на Кольском полуострове, вокруг оз. Байкал, в кимберлитовых трубках Якутии, на Урале, в Прикаспии, на плато Устюрт и других местах. Сравнение этих данных с картой центров озоновых аномалий убедительно показывает наличие источников водорода в регионах, над которыми наиболее интенсивно разрушается озоновый слой. Об этом говорят данные по Восточной Сибири, где большие концентрации водорода обнаружены в кимберлитовых трубках Удачной, Юбилейной, Айхал, Мир. Трубки эти приурочены к системе глубинных субмеридиональных разломов (Геология и генезис…, 1989).
Рис. 5 а) Центры озоновых аномалий над территорией России. b). Разломные зоны меридионального простирания на территории бывшего СССР
Особенно интенсивно происходит выделение водорода в трубке Удачная. Здесь его дебит достигал 105 м3/сут (1150л/с), причем в составе струи на долю водорода приходилось до 56%, а остальное на метан, так что совокупный дебит озоноразрушающих газов был еще больше (Кривцов, 1968). Описанное явление водородно-метановой дегазации кимберлитовых трубок объясняет процессы интенсивного разрушения озонового слоя над данной территорией. К югу от этих районов интенсивные выделения водорода известны вокруг оз. Байкал. Так, в Тункинской долине и на р. Селенге на его долю в составе газовых струй приходится до 70-95 об.% (Щербаков, Козлова, 1988), что также объясняет феномен обширнейшей озоновой аномалии, которая была зарегистрирована над Россией в феврале 1995г. Ее центр располагался над Байкалом, а западный край достигал Крымского полуострова.
Таким образом центры наиболее мощных озоновых аномалий планеты располагаются над зонами и центрами водородно-метановой дегазации: рифтовыми и разломными зонами или узлами их пересечения, а также центрами современного толеитового и щелочного вулканизма, или древнего ультращелочного (кимберлитового) вулканизма.
2. Экспериментальная проверка водородной концепции, лежащей в основе методики
Любая гипотеза имеет право претендовать на звание научной только в том случае, если может быть сформулирован метод ее экспериментальной проверки (принцип верификации). Для проверки вышеописанной гипотезы предложено (Сывороткин, 1996) организовать мониторинг выделения водорода в известных центрах дегазации, с тем, чтобы установить корреляцию между выбросом водорода и падением содержания озона над данной территорией. Синхронность этих процессов – усиления водородной дегазации и падения общего содержания озона должна означать правоту водородной концепции. Для такой проверки нами, при помощи старшего научного сотрудника Геологического института КНЦ РАН (г. Апатиты) В.А. Нивина был организован мониторинг концентрации подпочвенного водорода.
Хибинский щелочной массив является идеальным местом для постановки такого эксперимента, он давно известен как активный центр метановой и водородной дегазации (Икорский и др.,1992) и легко доступен, т.к. на нем ведется добыча полезных ископаемых.
Кольский полуостров по данным Мурманской озонометрической станции и спутникового мониторинга ОСО, является регионом, над которым часто разрушается озоновый слой. Так за период с 1991г. по 2000г. с дефицитом озона оказались 17 месяцев, при этом суммарная потеря озона составила 257% (Сывороткин, 2002). Среди 42-х озонометрических станций России и сопредельных территорий Мурманская по этому показателю стала 4-ой после Якутска, Иркутска и Ханты-Мансийска. Для измерения концентрации подпочвенного водорода использовался газоанализатор, разработанный в МИФИ под руководством профессора И.Н.Николаева. Прибор установлен в помещении сейсмостанции на руднике Кукисвумчорр, что обеспечивает стабильный режим температуры и влажности, устойчивое питание и сохранность. Место выбрано с учетом данных о дегазации Хибинского массива, полученных в результате водородной съемки, проведенной нами в 2002-2004г.г. в рамках проекта ИНТАС 01-244 (Сывороткин, 2006). Сейсмостанция находится в зоне пересечения концентрической разломной структуры - «Апатитового кольца» и радиального разлома, что обеспечивает здесь наиболее интенсивную дегазацию.
26-27 апреля 2005г. в полнолуние водородный датчик показал значительные пики концентрации водорода. В эти же дни значимое (до 375 Д.Е.) снижение ОСО было зафиксировано на озонометрической станции Мурманск.
Рис. 6. Планетарное поле озона 28 апреля 2005г.
Узкая зеленая полоса идущая из С.Атлантики через Кольский п-ов до Урала и есть наша аномалия. Линейность прямо указывает на приуроченность к тектонической дегазирующей структуре. В пределах европейской России на протяжении 1800 км ей отвечает Варангер-Канино-Тиманский складчатый пояс позднедокембрийского (байкальский) времени заложения, а точнее, отделяющий его от остальной части Восточно-Европейской платформы, долгоживущий глубинный разлом.
Таким образом, концепция подтверждена экспериментально, т.к. получен результат, вытекающий из основных ее постулатов и предсказанный 10 лет назад. И «водородная» гипотеза разрушения озонового слоя в апреле 2005г. стала претендовать на право называться теорией.
3. Количественные оценки выделяемого водорода.
Наиболее полным обобщением эмпирических данных о газовых потоках в различных геологических структурах Земли является работа Войтова (Войтов Г.И. Химизм и масштабы современного потока природных газов в различных геоструктурных зонах Земли // Журнал Всесоюзн. хим. общества. - 1986. - Т.31. - № 5. - С.533-539.). В ней суммарный годовой поток водорода с поверхности Земли оценивается в 6,084Тг, причем 4,48Тг, или три четверти, выделяется в срединно-океанских хребтах. Несомненно, что вышеприведенная оценка суммарного потока водорода является заниженной, т.к. водородная дегазация в океане изучалась всего лишь в нескольких пунктах. При этом наиболее активной дегазация должна быть в рифтовых зонах на дне океанов в высоких южных широтах, т.е. вблизи Антарктиды, где по данным геофизических исследований (Андерсен, Дзевонский, 1984) мантия наиболее разогрета. Изученность же водородной дегазации именно здесь нулевая.
Надо также иметь ввиду, что глубинная дегазация процесс импульсный, т.е. для его количественной оценки нужны долговременные ряды наблюдений. Однако о масштабах водородной дегазации можно судить по оценкам дегазации метана, который в сопоставимых количествах является спутником водорода в глубинных потоках, но в отличие от последнего, изучен намного лучше.
Годовой поток глубинного метана оценен Г.И. Войтовым в 223,51Тг. В 1993 году в журнале «Природа», мы указали на существенную недооценку эндогенной составляющей метанового потока в атмосферу и завышенную оценку биогенного метана. Там же были приведены наши оценки годового потока глубинного метана (4500Тг) и 500Тг биогенного, основанные на соотношении изотопов углерода в атмосферном метане, которые позднее (Сывороткин, 2002) были скорректированы с учетом новейших изотопных данных до 2500-3000Тг/год. В более поздней работе Г.И. Войтов также на основании изотопии углерода атмосферного метана тоже пришел к выводу о том, что общепринятые оценки общего потока метана занижены в сотни раз. Подчеркнем, что сказанное относится и к потоку водорода, естественному спутнику метана в реальных газовых струях. Модельные расчеты, выполненные В.В. Адушкиным с коллегами (1997) показали, что глобальная скорость образования метана должна быть равна 2500 – 9000Тг, что, по их мнению, в среднем в 5-6 раз превышает поток биогенного метана, «…что заставляет искать более мощные источники метана в Земле».
Итак, по вышепроанализированным данным эндогенный поток озоноразрушающих газов (водорода и метана) в атмосферу исчисляется первыми тысячами террограммов (миллионов тонн).
4. Временные закономерности водородной дегазации Земли.
Процесс выделение глубинных газов крайне неравномерен не только в пространстве, но и во времени, т.е. эндогенная дегазация имеет импульсный характер. Мощность газовых выбросов может спонтанно увеличиваться в миллионы раз, а площадь такого газодинамического возмущения может охватывать сотни тысяч квадратных километров (Осика, 1980; Маракушев, 2004; Карпов и др, 1998). Часто усиления газовых выбросов связаны с сейсмическими событиями (Тертышников, 1999). Примером может служить озоновыые аномалий над Зондским архипелагом в момент катастрафического цунамигенного землетрясения.
Рис.7. Центры озоновых аномалий над Зондским архипелагом в момент катастрафического цунамигенного землетрясения в Индийском океане 26.12.2004г. (Крайний западный центр расположен непосредственно над эпицентром землетрясения).
Общепланетарная временная закономерность (по данным спутниковых карт ОСО) – усиление выделения водорода в конце года, что можно объяснить гравитационным влиянием Солнца на жидкое ядро Земли в перигелии околосолнечной орбиты. Интересно, что в афелии максимально проявлена частота вулканических извержений (Белов, 1986), т.е. «горячая» дегазация планеты. Возможно, что в крайних точках элиптической орбиты не только наиболее значима разница в гравитационном воздействии, но и происходит «коробление» планеты с раскрытием разломных структур из-за смены знака ускорения.
Наблюдается так же связь дегазации с другими космическими ритмами, связанными с характером движения Земли в околосолнечном пространстве – суточный и полусуточный (вращение Земли вокруг собственной оси); (7.2 и 13,9 суток) - лунные фазы. Объясняются они гравитационным воздействием Луны на земное ядро - главный резервуар планетарного водорода. «Шевеление» внутреннего твердого ядра в жидком приводит к усилению выбросов водорода. Короткопериодные вариации усиления импульсов дегазации коррелируют также с вариациями скорости вращения планеты.
5. Вероятный источник глубинного водорода.
Проблема источника потоков глубинного водорода крайне важна с точки зрения поисков его месторождений, а, главное, перспектив его добычи. Однако вопрос этот дискуссионный, в литературе представлены три точки зрения о глубинности источников водорода:
А) Коровая, относительно недавно отечественные ученые обратили внимание на выделение свободного водорода на срединно-океанических хребтах. Объяснение – процессы серпентинизации (ГИН РАН, ГЕОХИ РАН), реакции железосодержащих минералов с морской водой (ИО РАН).
Б) Мантийная – водород, также как и другие газы выделяется в процессе «зонной плавки» мантии (Виноградов, 1964).
В) Ядерная – источником водорода является внешнее ядро Земли Земли (Ларин, 1991; Маракушев, 1999; Ритманн, 1964 и др.).
Озонная методика позволяет прояснить и этот вопрос. В Антарктике часто синхронно возникают несколько линейных аномалий, идущих от Южного полюса до тропических широт над срединно-океанскими хребтами, что указывает на источник водорода – жидкое ядро Земли. Это очевидно, т.к. ни один из вышеперечисленных механизмов образования глубинного водорода (зонная плавка, серпентинизация, реакции с железом) не способен синхронно «включаться и выключаться» в течение часов и первых суток в рифтовых структурах сразу в двух-трех океанах и на протяжении тысяч километров. Такой эффект способен вызвать только единый источник, т.е. ядро Земли. О том же говорят и космические ритмы газового дыхания планеты, выявленные нами на Хибинах.
Ограничения озонного метода изучения водородной дегазации связаны, в первую очередь, с разнообразием процессов формирующих озоновый слой планеты, как конструктивных, так и деструктивных. Главными из них являются динамика атмосферы, флуктуации магнитного поля Земли (Кондратович и др., 1988), флуктуации солнечной активности, вулканические извержения.
При количественной оценке газового дыхания планеты они являются помехами, их нужно (и можно) учитывать. Но на качественную картину они существенно не влияют. Исключением является только зона внутритропической конвергенции, где интенсивные пассатные потоки часто «размазывают» водородные выбросы, маскируя их локализацию, т.е. местоположение центров дегазации. Однако среди тысяч карт ОСО присутствует много таких, где эта локализация отчетливо проявлена.
Нужно понимать, что водородный след в озоновом слое это результат сочетания мощности выброса и интенсивности воздушной динамики. Крайние случаи: мощный выброс + спокойная атмосфера = отчетливая отрицательная аномалия ОСО; слабый выброс + сильный ветер = отсутствие аномалии. Все остальные случаи – вариации между крайними.
Технологически обусловленным недостатком спутниковых карт является отсутствие данных для полярных регионов в зимний (темный) период, т.к. приборы ТОМС работают «по солнечному свету». Но этот недостаток покрываются картами ОСО, составленными по данным наземных станций, большинство которых (зарубежных) оснащено приборами, работающими и по лунному свету.
6. Выводы
В озонном поле Земли находят четкое отображение тектонические структуры различного масштаба. Планетарные, протяженностью в несколько тысяч километров, например, участки срединно-океанических рифтов; региональные – сотни километров (разломы, рифты, грабены, зоны кимберлитового магматизма). Минимальными различимыми геологическими объектами являются отдельные магматические массивы, например, Печенга на Кольском полуострове.
Информация, которую дает предлагаемая методика, заключается в локализации центров глубинной дегазации, возможности оценки ее (дегазации) интенсивности, выявление временных закономерностей в масштабе планеты. Регионы наиболее интенсивной (по частоте выбросов) дегазации - Зондский архипелаг и Тихий океан, Антарктика, особенно приантартический участок ВТП, северный участок САХ, северный (континентальный) участок ВТП, Северо-Восточная котловина Тихого океана.
По мощности газовых выбросов (глубине озоновых аномалий) лидирует Антарктида, затем Северная Атлантика, рифтовые структуры Северного ледовитого океана и Западная Европа. Здесь активно дегазирующими структурами являются Рейско-Ливийская рифтовая зона и, особенно, рифтовые структуры Балтийского моря, в первую очередь, Ботнический залив.
Наиболее перспективными регионами для добычи водорода являются: в мире - Антарктида, в З. Европе (Ботнический залив, грабены Осло, Рейнский, Рона). В России – алмазные трубки Сибири, в первую очередь трубка Удачная, на которой, как отмечалось выше, уже регистрировались аномально высокие потоки водорода; в европейской части - магматические массивы Кольского полуострова, в первую очередь, Печенга (Никель), далее Хибинский и Лавоозерский и Кандагубский. Перспективным для поисков является и северная часть Воронежской антиклизы (сопредельные районы Воронежской и Липецкой областей). Этот район выделяется как центр разрушения озонового слоя, по частоте образования аномалий ОСО, т.е. по выбросам водорода он занимает второе место после Якутского центра! Источником водородных выбросов здесь могут быть погребенные кимберлитовые трубки.
По материалам Отчёта в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 14 за 2009 год
Раздел 1.3.1 «Оценка перспектив выявления промышленных скоплений эндогенного водорода в литосфере» . Руководитель проекта: директор ГГМ РАН, доктор г.-м.н. Белов С.В.
Источник: hydrogen-future.com.
Рейтинг публикации:
|
