История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Вопрос, какая из теорий происхождения метана верна, может показаться непринципиальным, однако он вызывает давнюю, иногда острую международную полемику в нефтегазовой отрасли. Нефть образуется в основном из молекул углеводородов, среди которых метан является самым простым и наиболее распространенным. Принято считать, что все естественные процессы образования метана играют определенную роль и в формировании нефти.

Одну из этих точек зрения поддерживает русско-украинская школа, основанная в середине XIX в. известным русским ученым-химиком Дмитрием Менделеевым, разработавшим универсальную периодическую таблицу элементов. Менделеев доказывал небиогенное происхождение нефти еще до того, как были проведены эксперименты, подтвердившие его идеи. «Следует обратить внимание, – писал он, – на тот знаменательный факт, что нефть зародилась в недрах Земли, а потому именно там и следует искать ее источники». Во второй половине XX в. идеи Менделеева получили второе рождение в России и Украине, и они возвестили процветание российской нефтегазовой отрасли. Некоторые геохимики в России до сих пор отстаивают точку зрения, что практически вся нефть и природный газ имеют глубинные неорганические источники. По их мнению, многие нефтяные месторождения являются возобновляемыми ресурсами, которые постоянно пополняются из гигантских резервуаров, расположенных в глубине мантии.

Это мнение представляется научной ересью для большинства американских нефтяников-геологов, которые ссылаются на внушительный перечень доказательств, подтверждающих исключительно органическое происхождение нефти: нефть обнаруживается лишь в осадочных слоях, где некогда бурно развивалась жизнь; нефть содержит множество молекулярных признаков ее органической природы; изотопный состав нефти очень похож на биологический; микроэлементы, входящие в ее состав, также указывают на биогенез. Большинство американских нефтяников не сомневаются: практически вся нефть и природный газ имеют органическое происхождение.

Эта полемика, десятилетиями подогреваемая русско-американским соперничеством, вновь оживилась в Северной Америке под влиянием блестящего австрийского астрофизика, задиристого и честолюбивого Томаса (Томми) Голда, преподававшего в Корнеллском университете до своей безвременной кончины в 2004 г. Главная заявка Голда на научное признание, по крайней мере в рамках избранной специальности – астрофизики, состояла в открытии того, что равномерные радиоимпульсы из глубокого космоса, так называемые пульсары, на самом деле представляют собой стремительно вращающиеся нейтронные звезды. (Одно время некоторые астрономы считали, что эти радиосигналы исходят от отдаленных инопланетных цивилизаций, отсюда и астрономическое обозначение первых пульсаров – LGM, аббревиатура от Little Green Men.)

Хотя Голд интересовался многими научными проблемами, от психологии слуха до состава пыли, покрывающей поверхность Луны, его самым значительным достижением, помимо астрофизики, стала поддержка идеи неорганического происхождения нефти и природного газа. Он доказывал, что нефть кажется органическим веществом просто потому, что колонии микроорганизмов – «глубинная биосфера» – используют неорганические углеводороды в качестве питания. Таким образом, микроорганизмы накладывают на неорганические углеводороды свой биохимический отпечаток – гопаны, липиды и т. п. На основе этой гипотезы Голд рекомендовал искать углеводороды в непривычных средах вроде вулканических и метаморфических пород. Он даже убедил одну шведскую фирму пробурить пробную скважину в таких твердых породах, и этот проект дал любопытные, хотя и сомнительные, результаты (а несчастным инвесторам стоил кучи денег).

Если внимательно прислушаться к обеим сторонам, становится очевидно, что ответ на вопрос о происхождении углеводородов далеко неоднозначен. Томми Голд был бесконечно любознателен и страстно искал ответы. Незадолго до своей безвременной кончины он посетил нашу лабораторию, прочитал лекцию о глубинной биосфере и обсудил возможность сотрудничества: постановки экспериментов, которые могли бы помочь в решении этого вопроса. Спорная проблема происхождения метана до сих пор не разрешена, хотя это не означает, что она неразрешима. Для выяснения природы глубинного углерода необходимо международное сотрудничество.

Обсерватория глубинного углерода

Углерод, пожалуй, следует считать важнейшим элементом на Земле. Углерод – это ключ к пониманию изменений климата и окружающей среды. Углерод с давних пор является важнейшим источником энергии. Углерод – решающий элемент для развития жизни и к тому же основной элемент в разработке новых лекарственных препаратов и другой продукции. Нам необходимо лучше узнать углерод, причем не только его поверхностные проявления в океане, атмосфере, горных породах и живых организмах, но и саму его суть.

В 2009 г. Фонд Альфреда Слоуна совместно с Геофизической лабораторией запустил проект Обсерватории глубинного углерода (DCO), грандиозную, рассчитанную на десять лет программу исследования углерода в масштабах планеты, особенно его химической и биологической роли в недрах Земли. Где располагается углерод? Насколько велики его ресурсы? Как он перемещается к поверхности и от нее? Насколько распространена глубинная биосфера? Этот междисциплинарный и международный проект уже привлек сотни исследователей из десятков стран. Цели у нас самые разные: от составления глобального реестра глубинных микроорганизмов до мониторинга выбросов углекислого газа из всех действующих на планете вулканов. Но самой главной задачей DCO является выяснение происхождения углеводородов, от метана до нефти. Геохимик Эд Янг и его коллега Эдвин Шойбле, оба из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, считают, что изотопы могут послужить ключом, который поможет выяснить, что является источником просачивающегося метана на дне океана – минералы или микроорганизмы. Но их теоретические выкладки не могут быть проверены путем простого сопоставления тяжелых и легких изотопов. Эд Янг намерен измерить изотопологи.

Изотопологи – это химически идентичные молекулы, которые различаются только по составу изотопов. Метан, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода, существует в виде целого ряда изотопологов. Примерно 99,8 % всех атомов углерода являются более легкой разновидностью углерода – углеродом-12, но на каждые пятьсот атомов приходится один тяжелый изотоп углерода-13. Аналогично водород обычно бывает представлен легким вариантом (строго говоря, это водород-1, но его обычно называют просто водород), но существует также и более тяжелый изотоп – водород-2, который обычно называют дейтерием. Соотношение водорода и дейтерия на Земле примерно равно тысяча к одному. Эти пропорции означают, что одна из каждых пятисот молекул метана содержит изотоп углерода-13, а примерно четыре из каждой тысячи молекул метана содержат дейтерий.

Следовые количества каждого из двух тяжелых изотопов довольно трудно измерять, но Эд Янг с коллегами охотятся вовсе не за ними. Они намереваются измерить неуловимые, дважды замещенные изотопологи метана – примерно одну молекулу метана на миллион, которая содержит либо одновременно углерод-13 и дейтерий (обозначаемую 13CH3D), либо два дейтерия (12CH2D2). По подсчетам Эдвина Шойбле, соотношение этих двух редких изотопологов в каждом отдельно взятом образце метана может служить чувствительным индикатором температуры, при которой формировался метан. Все дело именно в температуре: если данный метан образовался при температуре ниже 100 °С, то это свидетельствует о его органическом происхождении; если он формировался при температуре выше 500 °С, то он, вероятнее всего, неорганический.

На бумаге этот замысел выглядит замечательно. Однако проблема в том, что в мире не существует прибора, способного измерить соотношение между 13CH3D и 12CH2D2. Обычный изотопный анализ проводится на масс-спектрометре, измеряющем процесс разделения в соответствии с их массами. Эти два изотополога различаются по массе меньше чем на одну сотую процента, а потому попытки различить их сопровождаются существенными осложнениями. К тому же изотопологи встречаются в крайне малых концентрациях, что еще более затрудняет их анализ. Эду Янгу и его сотрудникам понадобился прибор с гораздо более высокой способностью различать массы и узнавать молекулы. Поэтому одним из первых шагов, предпринятых Обсерваторией глубинного углерода, стал сбор средств для разработки опытного образца такого инструмента, стоимостью 2 млн долларов, пригодного для измерения содержания изотопологов в метане. (В этом приняли участие также Национальный научно-исследовательский фонд США, Департамент энергетики США, корпорация Shell Oil и Институт Карнеги в Вашингтоне.) Предприятие весьма рискованное. Чтобы создать такой прибор, понадобятся годы, а затем уйдет еще несколько лет, пока мы не убедимся, что он действует. Оправданием такому риску служит возможность получить определенный ответ на вопрос об источниках образования глубинного метана, а также представление об участии метана в кардинальном изменении климата на планете.