1. Геологические и геохимические условия [1990 Лобье Л.

Открытие гидротермальных подводных явлений на больших глубинах вдоль активных океанических поднятий - это косвенное следствие теории тектоники плит, и их существование было предсказано лет за двадцать до самого открытия. Сегодня теория тектоники плит широко известна: согласно этой теории, поверхность Земли состоит из шести-восьми основных гигантских плит, постоянно перемещающихся одна по отношению к другой под влиянием движений в мантии Земли. Плиты сложены главным образом океанической молодой корой (более половины поверхности Земли); на них, как на огромных плотах, покоятся континенты, образованные более легкими породами, прочно спаянными с глубинной частью плит. На границе между двумя плитами происходят различные процессы. Когда две плиты сталкиваются друг с другом, более тяжелая океаническая плита постепенно погружается под континентальную плиту и опускается в мантию, где исчезает (вследствие этого явления, называемого субдукцией, дно океанов относительно молодо - его возраст не превышает 180 млн. лет). Одновременно погружение плиты приводит к образованию глубокого желоба в месте столкновения; например, в западной части Тихого океана глубина такого желоба свыше 10 км. Наоборот, когда две плиты раздвигаются, на поверхность поднимается вещество земной мантии и возникает новая океаническая кора (явление аккреции). Как правило, зоны аккреции планеты расположены под океанами. Они образуют систему подводных хребтов протяженностью примерно 70 тыс. км, знакомую широкой публике по великолепным цветным картам. Из таких хребтов наиболее известен, пожалуй, Срединно-Атлантический хребет, расположенный примерно на одинаковом расстоянии от американского, европейского и африканского берегов и вздымающийся более чем на 2000 м над абиссальными равнинами, лежащими по обе стороны от него. Обычно эти хребты состоят из серий линейных сегментов протяженностью в несколько сотен километров, разделенных поперечными разломами длиной в несколько километров. Все вместе образует зигзагообразный рисунок с очень характерными неравновеликими ответвлениями. Эти хребты имеют высокую активность: геофизики установили, что плиты отодвигаются друг от друга и что для различных типов хребтов характерна различная средняя годовая скорость раздвижения. В Атлантическом океане, где хребет представляет собой настоящую горную цепь, годовая скорость раздвижения низка, порядка 1-2 см; наоборот, на относительно невысоком Восточно-Тихоокеанском поднятии среднее годовое раздвижение больше - от 6 м в год на севере до 16-18 см на широте острова Пасхи. Долгое время предполагали, что существует связь между скоростью раздвижения и интенсивностью гидротермальных процессов: так, гидротермальные проявления в Атлантическом океане считались недостаточными для возникновения оазисов жизни, какие развиваются на хребтах восточной части Тихого океана. Но совсем недавно стало известно, что в Атлантическом океане тоже существуют гидротермальные проявления с высокой температурой, - в двух местах на Срединно-Атлантическом хребте на 24 и 26° с. ш. с помощью подводного телевидения наблюдались сообщества животных, но мы пока еще не знаем ни их состава, ни структуры^*.

По осям активных хребтов магма, состоящая из пород в вязком состоянии вследствие плавления земной мантии на глубине нескольких сот километров, поднимается к поверхности. Температура ее примерно 1200 °С. Приближаясь к поверхности, магма остывает и постепенно затвердевает, образуя новую океаническую кору; потоки лавы, которые изливаются в результате этого процесса, создают характерные образования: базальтовые пилоны поддерживают настоящие потолки, возникшие вследствие опорожнения лавового озера после частичного остывания, и делают опасным плавание подводных аппаратов на дне долины. Поскольку магма, поднимаясь на поверхность, расширяется, глубина над океаническими хребтами относительно невелика: их вершины расположены на глубинах 2500-3000 м. Чем дальше от осей хребтов, тем сильнее сжимается магма в ходе охлаждения и тем соответственно глубже становится океаническое дно. Это явление заглубления подчиняется простому закону: глубина океанической коры возрастает как корень квадратный от ее возраста.

Рис. 1. Схематический разрез через срединно-океанический хребет, показывающий подъем магмы при высокой температуре, гидротермальную циркуляцию и металлоносные осадки по обе стороны хребта

Поднимаясь и остывая, магма сжимается и глубоко растрескивается. Морская вода проникает вглубь по сети трещин и щелей на многие сотни метров, а иногда и больше. При соприкосновении с породами в ходе их отвердевания морская вода разогревается и преобразуется во флюид, состав которого весьма далек от ее первоначального химического состава. Удалось установить температуру, до которой морская вода нагревается в ходе своего подземного следования: по соотношению изотопов (изотопы - атомы химического элемента, обладающие одинаковыми химическими свойствами, но разнящиеся своими атомными массами) кислорода, содержащегося в минералах, отложившихся в трещинах и добытых бурением, максимальная температура образования этих отложений оценивается в 350-370 °С (действительно, известно, что в химических реакциях, где принимает участие кислород, соотношение двух естественных изотопов кислорода 160 и 180 зависит, в частности, от температуры реакции; зная эту пропорцию в отложившихся минералах, можно узнать температуру их образования). Другие методы расчетов, базирующиеся на осаждении из морской воды некоторых элементов, таких, как магний, дают большие величины, порядка 450 °С.

Удалось оценить и величину потока морской воды, проходящей в масштабе Мирового океана через подземную сеть под океаническими хребтами. Метод основан на измерении потока тепла, идущего из земных недр и поступающего в океан через дно. Существуют способы оценки потерь тепла на теплопроводность (способность твердых тел передавать тепло) через неподвижную среду, в данном случае через осадки, покрывающие базальтовую кору. Установлено, что вблизи океанических хребтов потери на теплопроводность падают, хотя в отсутствие всякого другого явления следовало бы ожидать обратного: ведь молодая океаническая кора теплее, чем более древняя океаническая кора, и результирующий поток тепла должен был бы быть сильнее. Эта аномалия объясняется гидротермальной циркуляцией. Морская вода, циркулирующая в сети трещин, поглощает в результате конвекции (движение жидкости, вызываемое разницей температур) тепло лавы и высвобождает его в океан. Конвективный перенос тепла за год в результате гидротермальной циркуляции оценивается с помощью этого метода в 5 · 10¹⁹ кал. Принимая максимальную температуру, достигаемую в ходе этой циркуляции, равной 350 °С (а для повышения температуры одного грамма морской воды от 2 до 350 °С требуется приблизительно 350 кал), рассчитали, что весь объем океанов (1,37 · 10²¹ л) проходит через гидротермальные сети приблизительно за 8 млн. лет.

Под конец своего долгого подземного путешествия флюид вновь выходит на поверхность дна океанов в виде настоящих горячих источников, вокруг которых появляется жизнь. Но температура выходящего флюида и его химический состав сильно изменчивы, что предполагает существование более или менее интенсивной вторичной циркуляции, которая приводит к разбавлению первичного гидротермального флюида, перед тем как он поступит в море. В действительности среди известных местонахождений есть такие гидротермальные излияния, в которых температура колеблется от нескольких градусов до приблизительно 40 °С и отложения минералов не наблюдается; есть излияния, в которых температура колеблется приблизительно от 100 до 250 °С и испускается более или менее непрозрачная белесоватая жидкость с отложениями ангидрита (сульфат кальция); наконец, есть излияния с высокой температурой от 250 до 370 °С, сопровождаемые мощными выбросами полиметаллических сульфидов и известные под названием черных курильщиков. На Восточно-Тихоокеанском поднятии на 13° с. ш. существуют все три типа гидротермальных источников, тогда как на Галапагосском рифте отмечены излияния только первого типа. Каждому типу излияний соответствует свой состав сообществ животных.

Биолог, изучающий подводные оазисы, должен обратить внимание не столько на температуру, сколько на химический состав гидротермальных флюидов: именно в нем кроется источник этой обильной жизни в форме восстановленных соединений (восстановление - удаление из соединения кислорода, иными словами, реакция, вследствие которой атом или ион присоединяет периферические электроны, то есть уменьшает свой положительный электрический заряд), в частности сероводорода (H₂S). Чтобы понять происхождение этих соединений, надо знать, в какие реакции вступает морская вода под большим давлением и при высокой температуре в присутствии базальта: магний, содержащийся в морской воде, соединяется с силикатами базальта и образует нерастворимый в воде гидроксисиликат (Mg(OH)SiO₃), который выпадает в осадок; ионы водорода Н⁺, высвобождающиеся в ходе реакции, сильно окисляют морскую воду и замещают кальций и калий в кристаллической решетке базальта. Высвобожденный таким образом кальций в свою очередь вступает в реакцию с сульфатами, содержащимися в морской воде, и образует сульфат кальция, который выпадает в осадок в форме ангидрита, как только достигается соответствующая температура; сульфаты морской воды реагируют также с металлами, содержащимися в базальте, и образуют сернистые соединения, которые затем при охлаждении жидкости выпадают в осадок. Когда кислотность жидкости достаточно высока, базальт высвобождает оксид кремния (SiО₂), который переходит в раствор. На основе лабораторных опытов и наблюдений над составом гидротермальных флюидов и минеральных отложений, добытых бурением, геохимики разработали непротиворечивую схему, включающую всю совокупность химических реакций (рис. 2). Выпадение в осадок сульфата кальция происходит при проникновении морской воды в подземную сеть. Еще глубже, в зоне реакции, происходит образование сероводорода и СО₂ путем восстановления сульфатов и разложения карбонатов, высвобождение ионов Н⁺, которые подкисляют среду и высвобождают ионы металлов и кремний. Затем горячий гидротермальный флюид, богатый металлами и сульфидами, поднимается к поверхности. Под землей флюид, разбавляясь, охлаждается, и в трещинах осаждаются сульфиды металлов. Когда гидротермальный флюид выходит на поверхность дна неразбавленным, он создает настоящие трубы, высотой иногда до 20 м, образованные выпавшими в осадок полиметаллическими сульфидами и сульфатом кальция. На выходе из трубы находящееся в растворе железо соединяется с сероводородом и дает черный султан, образованный частичками пирита (FeS₂) во взвешенном состоянии, а марганец остается в растворенном состоянии. В некоторых случаях железо и марганец затем окисляются и отлагаются на дне, образуя металлоносные осадки.

Рис. 2. Схема химических реакций, которые происходят при циркуляции морской воды в сети трещин и расщелин остывающей лавы с выходами флюида высокой и средней температуры

Сооружение черного курильщика начинается с фазы роста при промежуточной температуре из отложений сульфата кальция, образующегося в результате смешения гидротермального флюида с холодной морской водой. Когда курильщик вырастает, сульфат кальция начинает подвергаться воздействию неразбавленного гидротермального флюида, соответственно гораздо более горячего и кислого: тогда происходит частичное или полное вторичное растворение отложений ангидрита и замещение его полиметаллическими сульфидами.

Когда гидротермальный флюид несколько разбавляется, перед тем как излиться в океан, отложения полиметаллических сульфидов не происходит, образуются только отложения ангидрита, которые часто напоминают распылители: через малейшие поры они выбрасывают белесоватую более или менее опалесцирующую жидкость. Геохимики, исследуя содержание в гидротермальном флюиде магния и сульфатов, входящих в состав и обычной морской воды, умеют оценивать степень разбавленности флюида: она тем ниже, чем выше температура флюида, и достигает нуля при температуре порядка 350-370 °С, то есть как раз такой, которая измерялась на выходе черных курильщиков. Концентрация растворенного кремния, напротив, с температурой возрастает.

Гидротермальный флюид температурой 370 °С, изливаемый черными курильщиками, содержит повышенное количество различных металлов: 100 млн^-1 (частей на миллион) железа, несколько млн^-1 цинка, меди и никеля, что в 10⁸ раз больше содержания этих металлов в морской воде, а также более 200 млн^-1 сероводорода, тогда как нормальная морская вода не содержит его совсем (за исключением крайне редких случаев, как, например, в глубинах Черного моря или некоторых других аноксических, то есть полностью лишенных кислорода океанических бассейнов). Что касается некоторых токсичных металлов, то если бы такое их содержание было отмечено в прибрежной зоне, где имеют место сбросы промышленных и городских сточных вод, немедленно зафиксировали бы значительный уровень загрязнения! Следовательно, животные, которые обитают рядом с источниками, должны обладать специальными биологическими механизмами, позволяющими переносить подобные концентрации.

Когда гидротермальный флюид перед излиянием претерпевает вторичное разбавление, то есть в случае теплых источников с опалесцирующей водой без минеральных отложений и излияний белесоватой жидкости с промежуточной температурой, невозможно определить, на какой именно глубине под базальтовым основанием происходит смешение: в нескольких десятках метров под поверхностью или всего в нескольких десятках сантиметров? Дольчатые и подушковидные вытекания лавы и лавовые озера образуют иногда большие подземные резервуары, открывающиеся на дне в разных местах, часто весьма удаленных друг от друга. Не исключено, что поселения животных и особенно микроорганизмов, которые можно наблюдать на поверхности базальтового основания, представляют собой (по крайней мере для некоторых видов) лишь видимую часть более обширного подземного населения, способствующего, в частности, постоянному обмену генами между разбросанными популяциями, наблюдаемыми на поверхности. Пока еще не было возможности каким-либо образом подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, правда, американские биологи наблюдали поселения двустворчатых моллюсков, глубоко погруженных в расщелину в дольчатой лаве. Факт существования в одной и той же зоне трех основных типов гидротермальных излияний на расстоянии порядка сотен метров друг от друга согласуется с идеей о наличии подповерхностных локализованных сетей вторичного разбавления.

Если на Восточно-Тихоокеанском поднятии, к примеру, есть множество горячих излияний и активных черных курильщиков, то число неактивных курильщиков, где полиметаллические сульфиды покрыты слоем поверхностных оксидов, часто окрашенных в охряные и темно-зеленые цвета, еще больше. В изученной зоне протяженностью несколько десятков километров, расположенной на Восточно-Тихоокеанском поднятии на 12-13° с. ш., насчитывается в четыре раза больше мертвых курильщиков, чем действующих!

Некоторые неактивные постройки из полиметаллических сульфидов, расположенные примерно на 21° с. ш., удалось датировать: оказалось, что они имеют возраст от 23 лет до 61 года. Продолжительность жизни курильщика оценивается в 50-100 лет. Образцы, взятые на активных постройках на 13° с. ш., имеют возраст примерно 10 лет.

Рис. 3. Так художник изобразил устье черного курильщика; на заднем плане - бездействующие гидротермальные постройки. На врезке - разрез устья черного курильщика, поясняющий механизмы отложения и вторичного растворения ангидрита

Известны также случаи, когда активный хребет не выходит на поверхность, будучи перекрыт плотным слоем осадков. Таков район гидротермальных излияний в бассейне Гуаймас в Калифорнийском заливе на 27° с. ш. Этот бассейн является зоной аккреции, которая входит в комплекс сегментов срединного хребта и трансформных разломов, связывающих Восточно-Тихоокеанское поднятие с разломом Сан-Андреас. Базальтовое основание покрыто почти 400-метровым слоем современных осадков, обязанных своим происхождением выносам реки Колорадо в Калифорнийский залив и местной продукции фитопланктона и имеющих четвертичный возраст. Процесс аккреции проявляется в проникновении лавы внутрь рыхлых осадков. Активная гидротермальная циркуляция увлекает к поверхности значительное количество органического вещества, возникшего в результате трансформации органического вещества осадков под действием высокой температуры и давления, которым эти осадки подвержены. Коротко говоря, эти условия значительно ускоряют трансформацию органического вещества в сложные углеводороды - в самих осадках и на их поверхности были выявлены различные алканы, ароматические и нафтеновые соединения, опаны^*. В некоторых гидротермальных источниках, которые открываются на поверхности осадков, находят также большое количество сероводорода. Осадки довольно часто покрыты плотным ковром нитчатых бактерий. В некоторых случаях вокруг источников развиваются большие поселения животных, но по видовому составу они значительно отличаются от оазисов Галапагосского рифта и Восточно-Тихоокеанского поднятия.

^* (Опаны - органические молекулы, появившиеся в ходе диагенеза органического вещества, заключенного в осадках; до некоторой степени предвестники нефтяных углеводородов. Опаны хранят след биологического происхождения (микробы, зеленые растения) и могут играть роль хронологической метки в эволюции органического вещества. - Прим. ред.)

Рис. 4. Гидротермальные местонахождения и места высачивания минерализованной воды, обследованные биологами: 1, 3 и 4 - гидротермальные излияния на Восточно-Тихоокеанском поднятии на 18° ю. ш., 13 и 21° с. ш.; 5 - гидротермальное местонахождение в осадках бассейна Гуаймас; 6 - высачивание минерализованных вод у подножия Флоридского эскарпа; 7 - Орегонская зона субдукции; 8, 9 и 10 - гидротермальные местонахождения на хребтах Хуан-де-Фука, Эндевор и Эксплорер; 11 и 12 - желоб Нанкай, впадина Дзенису и каньон Тенрю; 13 и 14 - подводные вулканы Эримо и Касима

Заслуживают внимания совсем недавние и весьма важные для понимания биологического функционирования подводных оазисов и его обобщения открытия, хотя речь в них не идет непосредственно о гидротермалях. Хронологически первое открытие датируется мартом 1984 года. Оно было сделано на глубине 3266 м в Мексиканском заливе, в геологически неактивном районе, у подножия огромного известнякового подводного обрыва - Флоридского эскарпа, который вздымается более чем на 2000 м над абиссальными осадками. Процесс глубинной седиментации постепенно погребает под осадками подножие этого обрыва. Здесь, на стыке глубинных осадков и подножия склона, развиваются животные и микробные сообщества, очень схожие с сообществами оазисов Восточно-Тихоокеанского поднятия; судя по первым наблюдениям, эти сообщества, вероятно, черпают свою энергию от восстановленных соединений, возможно сульфидов, в пользу чего говорит хотя бы наличие таких восстановленных минералов, как пирит, образовавшихся здесь же в результате выделения кислоты, растворившей близлежащий известняк. В этом месте не отмечено никакого повышения температуры; однако у подножия склона высачивается флюид, насыщенный минеральными солями, - вероятно, это действительно вода, вышедшая на поверхность после циркуляции внутри эскарпа. Об этом явлении, важном с точки зрения демонстрации значения неорганических восстановленных соединений для развития подводных оазисов, известно пока еще слишком мало.

Второе открытие было сделано несколько месяцев спустя, в августе 1984 года, в Тихом океане против берегов штата Орегон на глубине 2036 м, в совершенно иных геологических условиях: теперь дело происходило в зоне субдукции, где океаническая Тихоокеанская плита погружается под континентальную Американскую плиту. Это приводит к образованию складчатости осадков и обильному их накоплению у окраины континента. В этой зоне наблюдали высачивание воды из осадков. Речь идет об интерстициальной воде, содержащейся в древних осадках и выдавливаемой наружу при сжатии под действием субдукции. Установлено, что в Орегонском районе температура изливающейся воды не отличается от температуры окружающей воды, известен также ее состав: она не обогащена сульфидами, в частности сероводородом, зато содержит метан, радон, аммиак, железо и марганец, - наличие этих веществ как раз и свидетельствует о том, что это действительно интерстициальная вода, выжимаемая из осадков силами субдукции. В качестве рабочей гипотезы авторы этого открытия высказывают предположение, что очень богатое поселение животных, весьма близкое к поселениям гидротермальных оазисов, черпает энергию за счет окисления метана бактериями в основании пищевой цепи. Ровно через год, в августе 1985-го, похожие наблюдения были сделаны в другой зоне субдукции, в системе желобов к востоку от Японских островов, на глубинах 3800-4000 м в каньоне Тенрю и в бассейне Дзенису и на глубине 5800 м в двух районах, расположенных севернее. Животное население, которое здесь наблюдали, менее разнообразно, чем у берегов Орегона, но зато эти сообщества - наиболее глубоководные сообщества такого типа из известных ныне. В этом случае авторы открытия также предполагают, что метан, содержащийся в интерстициальной воде, вытесняемой из осадков под действием огромного давления, которое они испытывают на глубине, является основой этих сообществ. В настоящее время, когда пишется эта книга, еще не получены неоспоримые доказательства хемосинтетического происхождения этих вновь открытых оазисов. Для этого потребуются опыты на месте и сложные лабораторные исследования, которые еще не было возможности провести. Но при современном состоянии знаний эта гипотеза остается единственно правдоподобной. Единственное, что еще возможно добавить, - это то, что аммиак, другое минеральное восстановленное соединение, также может играть какую-то роль. Во всяком случае, упомянутые открытия показывают, что глубоководные оазисы распространены шире, чем об этом думали еще в 1984 году.