Экологические аспекты дегазации Земли

        Следующим, после количественного аспектом водородной гипотезы, который вызывает, наибольшее количество вопросов и сомнений, является аспект транспортный. Каким образом водород из глубинных сфер Земли поднимается до стратосферных высот?

        Ответ на вопрос, почему он не окисляется, проходя через верхнюю часть мантии и земную кору, в составе которых в значительных количествах присутствует кислород, мы находим в работах Ф.А.Летникова (1992), который с сотрудниками экспериментально изучил процесс взаимодействия водорода с габбродиоритом. Были получены следующие результаты: "Из экспериментов видно, что уже через несколько часов непрерывного прохождения водорода через породу процесс во всем ее объеме перейдет в диффузионную область и, что очень важно (!), далее водородный поток будет проходить через породу, находясь в равновесном (квазиравновесном) состоянии. Когда скорость потока намного больше коэффициента диффузии реагирующего компонента внутрь твердой фазы, то в короткий отрезок времени, после того, как прореагировала поверхность минеральных зерен и процесс перешел в диффузионную область, флюид в ничтожной степени реагирует с породой и, по сути, флюидный перенос идет в равновесных условиях. В этом и заключается ответ на вопрос, задаваемый петрологам и геохимикам - каким образом флюид из мантии, пройдя расстояние в десятки и даже сотни километров по разрезу литосферы и ее поверхности, сохраняет свои многие физико-химические свойства и состав?"

        Транспорт глубинных газов сквозь толщу воды в случае флюидной разгрузки на дне океана рассмотрел И.Н.Горяинов с соавторами (1996). Ими обосновывается пузырьковая модель переноса широкого спектра элементов со дна океана на его поверхность: "Источником пузырьков служат сами гидротермы. Растворенные в них метан, углекислый газ, азот, водород, аргон, гелий, сероводород и другие газы выделяются при скачкообразном падении давления, связанном с выходом гидротерм на поверхность дна. Гидротермальные струи и порожденные ими турбулентные вихри быстро, со скоростью 1-5 м/с, выносят зародившиеся и не способные вначале к самостоятельному всплытию пузырьки на высоту 200-400 м над поверхностью дна, способствуя, таким образом, их росту и предотвращая их схлопывание - коллапсирование. После этого пузырьки начинают всплывать самостоятельно. Элементарные расчеты показывают, что пузырьки диаметром 0,1-1 мм всплывают со скоростью 5-16 см/с и преодолевают глубину 4 км за 7-22 ч. Удаление выходов пузырьков на поверхность океана от проекции их источника составляет 1,25-4км".

        Реальность процесса всплывания газовых пузырьков подтверждается прямыми наблюдениями в районе гидротермального поля ТАГ. Здесь ореолы с повышенными содержаниями железа, марганца, меди, цинка, кремнезема и метана располагаются над активной рудной постройкой ("курильщиком"), практически, совпадая в плане с ней и с тепловой придонной аномалией.

        Ореолы повышенных содержаний углеводородных и других газов над подводными вулканами и гидротермами обнаружены в районе кальдеры г.Осевая хребта Хуан-де Фука. Исследованиями акватории Чукотско-Камчатского региона и западного сектора Тихого океана в атмосфере над морской поверхностью были выявлены ртутные ореолы, которые располагались над активными тектоническими зонами, расположенными на дне.

        Выбросы газов из морских глубин могут приобретать катастрофический характер, и часто принимаются за извержения подводных вулканов. Для метана в океанских глубинах существует мощный физический барьер - совокупность Р-Т условий, при которых он переходит в газогидратное состояние. Создается определенная буферная метановая зона, которая отчасти может даже истощаться за счет переработки метанотрофными бактериями, но при незначительных изменениях физико-химических условий она может выбрасывать метановые факелы к поверхности океана и в атмосферу.

        Транспорт озоноразрушающих газов от поверхности Земли в стратосферу. Наиболее активно дискутируется третья, воздушная часть пути газов из мантийных глубин в стратосферу. Главный вопрос, который возникает при обсуждении этого аспекта транспортной проблемы, может ли водород (метан) подняться от поверхности Земли до стратосферных высот, не перемешавшись с атмосферными газами до фоновых концентраций? Полагаем, что самым убедительным ответом и являются результаты наших исследований. Центры наиболее значимых озоновых аномалий всегда располагаются над центрами водородной дегазации.

        Для подтверждения этих общих рассуждений по просьбе автора в лаборатории молекулярной кинетики химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова было выполнено математическое моделирование процесса транспорта примесных газов в стратосферу (Н.А.Садовский, О.И.Куценок, 1992). В качестве транспортного механизма в пределах тропосферы была принята турбулентная диффузия, в пределах тропопаузы - молекулярная диффузия. Проведенное исследование показало, что водород, выделяясь у поверхности Земли из точечного источника, может достигнуть стратосферы, сохраняя концентрации, отличные от фоновых. Газы тяжелее воздуха (фреоны) по данной модели выше тропопаузы не поднимаются.

        Положительный результат получен для спокойного выделения водорода из точечного источника. Но реальные выделения глубинных газов в природе могут происходить и иначе, например, в виде спонтанных выбросов больших объемов газа за короткий промежуток времени на протяженных участках разломных структур. При таком выделении из недр динамика подъема газа и в водной толще и в атмосфере будет иная - всплывание газового пузыря. Этот транспортный механизм многократно эффективней.

        Расчет такой транспортной модели, выполненный в 2000г в ЦАО Росгидромета Г.М.Крученицким для условий зимней атмосферы в Якутии, позволил сделать вывод о реальности процесса транспорта легких газов в стратосферу при объемном выбросе.

        Оценки Г.М.Крученицкого показывают, что если выбросы минимального размера (8м) будут происходить, например, с частотой один раз в сутки с каждых 2,5га на территории 10000км², то через 10 суток в стратосферу будет доставлен 1км³ выбрасываемого газа. Дефицит же такого количества озона над территорией в миллион квадратных километров означает снижение ОСО на 30% по сравнению с климатической нормой.

        Пространственное размещение кимберлитовых тел Якутии. В связи с этим аспектом транспортной проблемы в главе приводятся данные о соотношении размеров кимберлитовых трубок и плотности их распределения в полях различного типа. Отмечается, что линейно - групповая пространственная организация кимберлитовых полей характерна и для центров озоновых аномалий над Восточной Сибирью, т.е. геология алмазных месторождений находит свое фотографическое отображение в составе атмосферы.

        Сейсмичность и дегазация. В транспортном аспекте рассматривается связь процесса глубинной дегазации с сейсмическими событиями. Важные в аспекте озоновой проблемы результаты, были получены во время Дагестанского землетрясения 14 мая 1970г (Осика, 1981). Было установлено, что при землетрясениях газогидродинамическое возбуждение охватывает площади в десятки и первые сотни тысяч квадратных километров, а содержание главного интересующего нас газа - водорода может возрасти при этом на 5-6 порядков.

        В результате многолетнего мониторинга (Методические рекомендации , 1991) выявлено 2 типа поведения гелия в связи с сейсмическими событиями. Первый, назовем его тип "Чашма Пойен" (полигон на Памире), характеризуется резким спадом концентрации гелия после сейсмического события. Второй, тип "Арарат" (Армения), отличается обратной картиной, т.е. резким положительным скачком этой концентрации. Оба типа, однако, характеризуются заметным ростом концентрации гелия до сейсмособытия, причем в первом типе, рост этот более значительный и происходит в среднем за 12 дней, а в типе "Арарат" рост менее сильный, но отмечается за несколько месяцев до землетрясения.

        Главный вывод "транспортной" главы состоит в том, что образование озоновой аномалии , ее размеры и форма зависят от сочетания 2-ух факторов - мощности газового выброса и метеоусловий, при которых этот выброс происходит.