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

ближайшее время. Нас больше заботят те 500 или около того действующих вулканов, которые извергаются регулярно: в некоторых случаях это ежедневные залпы пепла и пара, в других — страшные взрывные события раз в сотню-две лет. Они действительно опасны, но человеческая память коротка. Иначе зачем десяткам тысяч людей жить неподалеку от Неаполя в домах, выстроенных по склонам Везувия, — вулкана, который похоронил Помпеи под своим смертоносным пеплом 2000 лет назад? Зачем возводить жилые кварталы прямо по бокам вулкана Килауэа на крупнейшем острове Гавайев, где неумолимые потоки лавы регулярно ровняют с землей шикарные дома — последний раз это произошло весной и летом 2018 г.?

Еще страшнее взрывные извержения ядовитых газов и пепла — пирокластические потоки, которые могут хлынуть вниз по вулканическим склонам со скоростью, близкой к сверхзвуковой. Множество населенных пунктов и мест скопления людей — от жилых домов на Карибских островах и Филиппинах до международного аэропорта Сиэтл/Такома в штате Вашингтон — лежат прямо на пути хорошо описанных пирокластических потоков. Сотни миллионов людей по всему миру живут в смертельно опасных зонах действующих вулканов. Еще несколько сотен миллионов подвергаются более удаленной опасности в виде вулканических газов и пепла, которые влияют на качество воздуха и периодически прерывают авиасообщение.

С учетом столь угрожающих катастроф кажется вполне разумным присматривать за теми вулканами, которые имеют наибольший разрушительный потенциал. Поскольку очень многие из них подают признаки того, что вот-вот извергнутся, за самыми опасными постоянно наблюдают государственные службы и специализированные лаборатории. В набор типичных измерительных устройств входят сейсмологические приборы, распознающие подповерхностные движения магмы, которые предшествуют любому извержению; инклинометры, которые улавливают подъем кровли приповерхностных магматических камер в момент заполнения их расплавом; наконец, температурные датчики, которые регистрируют увеличение теплового потока, когда лава поднимается из глубин.

Вулканы изменяют окружающую среду и другими способами — обеспечивая нас при этом сигналами, которые, возможно, возвещают об извержениях. Одной из таких ключевых подсказок могут быть вулканические газы. Ученые из проекта DECADE обнаружили, что перед многими извержениями в этих газах резко возрастает отношение вулканического CO2 к сере. Это открытие еще раз подчеркивает взаимосвязанность научных исследований: ученые хотели отследить выделение углекислого газа из вулканов, чтобы понять нечто фундаментальное об углеродном цикле Земли — процессе, который сформировал изначальную земную атмосферу и продолжает формировать ее сегодня, — а в итоге в ходе своих исследований нашли простой и действенный подход к предсказанию вулканических извержений.

Алмазные подсказки{112}

Алмазы, как редкие большие, так и маленькие, представляют наименьшую долю того углерода, который поднимается из глубин в процессе вулканических извержений. Однако, поскольку они такие упрямые и непроницаемые, растут в скрытой мантии Земли, а затем выносят признаки условий своего роста на поверхность, истории алмазов о глубинном углеродном цикле уникальны — и им придется рассказать нам эти истории.

Алмазы хранят в себе два убедительных признака циркулирования шестого элемента: газово-жидкие включения и изотопы. Мы уже говорили о включениях крошечных зеленых, красных и черных минералов в алмазах, но не все включения кристаллические. Мельчайшие запечатанные капли богатых водой и углеродом жидкостей раскрывают природу флюидов, струящихся вниз с поверхности Земли и претерпевающих сложные реакции на глубине. Недавно обнаруженные такие включения подтверждают удивительные теоретические и практические открытия, свидетельствующие о том, что на мантийных глубинах образуются богатые углеродом флюиды новых типов. Причем подобно тому, как не смешиваются между собой нефть и вода, в одном включении могут сосуществовать два очень разных флюида. В алмазах присутствует недвусмысленное доказательство того, что некоторые похожие на нефть углеводороды образуются на глубинах в сотни километров, за пределами царства живых клеток.

Изотопы углерода, из которого состоят алмазы, также содержат указания на удаленные древние источники их атомов. Подавляющее большинство алмазов, возможно 90% проанализированных камней, имеют изотопный состав, типичный для мантийного углерода. Примечательно, что небольшая выборка относительно молодых алмазов (под «молодыми» я имею в виду те, возраст которых не превышает нескольких сотен миллионов лет) образовалась из легкого углерода, который не содержит тяжелый изотоп углерод-13{113}. Для любого образца, найденного вблизи поверхности Земли, такой признак будет считаться безошибочным свидетельством того, что эти атомы углерода по крайней мере единожды прошли через живые клетки. Но что насчет алмазов, обогащенных легкими изотопами? Они рассказывают ту же историю? Обитали ли когда-нибудь их атомы углерода в живых клетках, некогда погибших и захороненных, а затем погрузившихся в глубокие недра Земли и там преобразовавшихся в драгоценные камни? Вопрос все еще открыт, но «живой» источник углерода во многих алмазах не удивил бы тех из нас, кто начинает видеть отблески необыкновенного глубинного цикла углерода Земли.

Углерод в равновесии

Способ, которым жизнь изменяет глобальный углеродный цикл, по-прежнему в центре внимания. За миллиарды лет Земля, похоже, нашла баланс между тем углеродом, что погрузился глубоко в недра, и тем, что выделяется из вулканов, — это процессы, которые помогают стабилизировать климат и окружающую среду. Но насколько устойчиво это непрекращающееся циркулирование? Нет такого закона природы, который требовал бы, чтобы количество углерода, уходящего вниз, — запертого в горных породах, погребенного в осадочных отложениях и погрузившегося в процессе субдукции в мантию, — было бы точно равно тому количеству, которое возвращается на поверхность при вулканических извержениях или другими, более спокойными способами. Но нет и вопроса более насущного для Обсерватории глубинного углерода, чем этот баланс между тем, что уходит вниз, и тем, что возвращается обратно наверх.

Так в равновесии ли углеродный цикл Земли? Исследования Мари Эдмондс позволяют предположить, что многие зоны субдукции захоранивают большое количество своего углерода в глубоких недрах. Терри Планк же делает противоположный вывод — обособить углерод посредством субдукции чрезвычайно сложно, это скорее исключение, чем правило. И кто прав?

В 2015 г. двое из наиболее широко мыслящих руководителей DCO — Питер Келемен из Колумбийского университета и Крэг Мэннинг из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе — попытались свести все данные в одну изящную диаграмму глубинного углеродного цикла, своего рода музыкальную фразу глубин Земли, составленную с использованием хрестоматийных численных значений углеродного цикла{114}. Эта стильная диаграмма снабжена полудюжиной красных стрелок, каждая из которых представляет собой важнейшие потоки углерода между поверхностью и глубинами, каждая сопровождается одним или несколькими прямоугольничками с величинами этих углеродных потоков в мегатоннах углерода в год. Иллюстрация эта, которая сейчас используется на сотнях семинаров и лекций DCO, стала иконографическим изображением того, сколько нам еще нужно узнать об углероде Земли.

Среди этих стрелок или прямоугольничков нет таких, которые были бы