Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

растворенных молекул или кислотность растворов. Не было возможности также спрогнозировать поведение углерода или любого другого растворенного элемента в мантии Земли. В итоге на майском семинаре 2008 г., который положил начало DCO, было сделано публичное заявление о необходимости восполнить этот пробел в наших знаниях{88}. Автором заявления стал Димитри Сверженски, профессор геохимии в Университете Джонса Хопкинса.

Речь Сверженски продолжалась всего пять минут, но она произвела сильное впечатление. Вскоре состоялся ланч, и за стол рядом со Сверженски села Изабель Даниэль, профессор геохимии из Лионского университета — 1[29]. Ее думы тоже были захвачены свойствами мантийной воды, и она поделилась свежими данными о поведении карбонатных минералов в воде при экстремальных температурах и давлениях — сведениями, которые давали намек на диэлектрическую постоянную воды. Объединившись, Сверженски и Даниэль составили впечатляющий план исследований, который убедил DCO выделить часть ресурсов на изучение глубинной воды. Десятилетие спустя их инициатива привела к революции в нашем понимании глубинного углерода.

Глубинная вода

Определение диэлектрической постоянной воды при высоких давлениях и температурах мантии Земли — сложная задача, требующая усилий и на теоретическом, и на экспериментальном фронте. Исследования 2012 г., проведенные Джулией Галли и ее аспирантом Дином Пэном на базе Калифорнийского университета в Дэвисе, затрагивали теоретическую часть{89}. Используя квантово-механическую модель, ученые рассчитали, что диэлектрическая постоянная воды растет до давления в 100 000 атм — значение, при котором карбонатные минералы, стабильные в земной коре, начинают растворяться в мантии. Этот важный результат указывает на то, что именно растворенный в воде углерод и может оказаться основным фактором глубинного углеродного цикла.

Тем временем Изабель Даниэль и ее группа в Лионе решили экспериментально проверить расчетные данные Галли. Используя замысловатую нагретую ячейку с алмазными наковальнями, исследователи определили, как карбонатные минералы растворяются в мантийных условиях{90}. Эксперименты и расчеты дали весьма сходные результаты, и это указывало на непредвиденные ранее сложности в поведении глубинного углерода.

Модель глубинной воды Земли

Вычисление значения диэлектрической постоянной воды в условиях мантии стало лишь началом понимания скрытого глубинного углеродного цикла. Новые оценки диэлектрической постоянной нужно было ввести в общую модель флюидов при высоких температурах и давлениях. Создателем этой вдохновляющей модели, получившей название «Глубинная вода Земли» (англ. DEW, от Deep Earth Water), и стал Димитри Сверженски{91}.

Мало кто оказал столь же глубокое влияние на мою карьеру ученого. Мы со Сверженски впервые встретились более двух десятилетий назад в кампусе Университета Джонса Хопкинса, в его тихом офисе с окнами, выходящими на лесной ручей. Я обратился к нему за помощью, чтобы разобраться в сложном поведении биомолекул, взаимодействующих на поверхностях минералов, — непростой вопрос, который может оказаться чрезвычайно важным для понимания происхождения жизни. Он заинтересовался, но предусмотрительно оговорился, что разработанная им теория взаимодействий на поверхностях минералов хорошо подходит для отдельных, похожих на мячи, атомов металлов, а в решении гораздо более сложной проблемы молекул, с их сложными трехмерными формами, он еще не преуспел.

Перенесемся в 2006 г., когда уже сам Сверженски связался со мной. Он разобрался с проблемой молекулярной адсорбции, ему предстоял годичный творческий отпуск, и он хотел провести его в моей Геофизической лаборатории. Я был в восторге. Мы организовали лабораторию по изучению поверхностей минералов и следующее десятилетие радовались стабильному потоку прекрасных студентов, десяткам исследовательских работ и достаточному государственному финансированию. И по ходу дела мы оба оказались глубоко вовлеченными в проект DCO{92}.

Мы с Димитри Сверженски быстро подружились — эта симпатия объяснялась, в частности, взаимной любовью к музыке. Сын «великого Сверженски», самого обожаемого преподавателя фортепиано по всей Австралии, он родился и вырос в Сиднее. Димитри — необыкновенный ученый. Скромный в своей сути исследователь с тихим голосом, он при этом блестящий творец, дотошный и скрупулезный, а еще Димитри весьма сдержан и не склонен к преувеличениям. Однако не будет преувеличением сказать, что его модель DEW сияет в венце главных достижений DCO — это успех, который продолжит приносить плоды еще долгое время по окончании программы{93}.

Базирующиеся на модели DEW открытия, которые делаются во все возрастающем темпе, раскрывают поразительные факты о глубинном углеродном цикле Земли. Согласно предыдущим моделям, глубинные флюиды представляли собой просто смесь воды и углекислого газа, но Сверженски обнаружил, что атомы перестраиваются и формируют новые типы молекул, растворенных в сложном подземном супе. Многие из них — это ионные формы с положительными или отрицательными электрическими зарядами; следовательно, карбонатные минералы растворяются подобно соли, пуская в оборот углерод на глубине.

Также Сверженски убедительно продемонстрировал, что мантия Земли — это фабрика для синтеза органических молекул на основе углерода, тех молекул, что должны были сыграть свою роль в происхождении жизни{94}. При определенных условиях в глубинах Земли образуется уксусная кислота, но, если температура или кислотность поменяются, в смеси станут преобладать природный газ и другие углеводороды. Недавние эксперименты, которые провела Изабель Даниэль, дают понять, что образуются гораздо более крупные углеродсодержащие молекулы, в том числе и экономически значимые компоненты нефти. Все эти результаты указывают на богатую и сложную глубинную органическую химию, о которой мы только сейчас начинаем узнавать.

Самое поразительное открытие Димитри Сверженски связано с происхождением алмазов, которые, как все думали, образуются, когда атомы углерода подвергаются экстремальному давлению, а вода в этом процессе не играет особой роли{95}. Работая с аспирантом Фан Хуаном, Сверженски обнаружил, что алмазы столь же легко образуются в водных мантийных флюидах вообще без какого-либо изменения давления. В действительности к появлению кристаллов алмаза приводит простое повышение кислотности находящегося под давлением обогащенного водой раствора. На самом деле процессы, которые соответствуют ранее необъяснимым картинам роста природных драгоценных камней, — циклы роста и растворения алмаза — могли вызываться естественными колебаниями кислотности глубинной воды.

Эти и другие открытия указывают нам на активную область на глубине немногим более 100 км под нашими ногами — скрытое царство химических процессов, которое миллиарды лет играло важнейшую роль в глубинном углеродном цикле Земли. Но как мы можем убедиться в этом? Какими доказательствами на поверхности Земли могут подтвердиться смелые утверждения Сверженски?

Загадка глубинного метана{96}

Одно из самых дерзких и многообещающих открытий DEW — наглядная демонстрация того, что метан может в огромных количествах подниматься из мантии Земли, формируя гигантские резервуары в коре. Геологи в других частях света, особенно в России и Украине, долгое время настаивали на глубинном абиотическом происхождении большей части природного