Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 18)

Может показаться безответственным, что первым двум миллиардам лет истории Земли — почти половине времени ее существования — посвящается всего одна короткая глава. Знаний, которые накопили ученые об этом периоде, хватит, чтобы заполнить целые книги, но мы все еще знаем гораздо меньше, чем хотелось бы. Проблема не в недостатке усилий, а в том, что почти все породы, сформированные в первый миллиард лет, и даже многие из тех, что образовались в течение второго миллиарда лет, либо полностью разрушились, либо как минимум сильно изменились. Эрозия стерла древние хребты; столкновения между литосферными плитами заталкивают поверхностные породы вглубь планеты, нагревая, сминая и изменяя их почти до неузнаваемости. В некоторых случаях это происходило неоднократно. В результате в геологической книге возникают пробелы, которые значительно усложняют задачу чтения летописи горных пород в наиболее древних частях земной коры. Несмотря на это, мы знаем многое.

Для геологов поиск самых древних пород сродни поиску Святого Грааля. Сейчас рекорд принадлежит группе пород на восточном берегу Гудзонова залива в Канаде. Если отправиться туда коротким северным летом, бросив вызов тучам комаров, вы сможете сесть на обнажения этих серых непримечательных камней и созерцать окружающий молчаливый ландшафт — бесплодный, но красивый. Однако сами скалы отнюдь не безмолвны: постепенно они рассказывают о своей долгой истории. Это часть формации, известной геологам под названием «пояс Нуввуагиттук» (зубодробительное название из местного инуитского языка), которая датируется временем 4,28 миллиарда лет назад. Это означает, что породы образовались во время катархея — меньше, чем через 300 миллионов лет после рождения самой планеты.

Возраст самых древних известных пород постепенно увеличивается. Когда я был студентом, им было 3,6 миллиарда лет, и держать в руках кусок земной коры такой древности было настоящим чудом (и это по-прежнему так). Я помню, как один всемирно известный профессор, специализирующийся на докембрийских породах, сказал нам, что вряд ли удастся найти породы существенно старше 3,6 миллиарда лет. Он рассказывал, что более старая кора, вероятно, существует, однако она неузнаваема: геологические процессы трансформировали и плавили ее на протяжении всей долгой истории Земли. Однако методы радиоизотопного датирования совершенствовались, а геологи стали понимать, что в перекрученных и деформированных массах древних метаморфических пород могут сохраниться остатки еще более ранних пород земной коры; так что в геологической литературе стали появляться все большие числа. Сначала фрагменты метаморфизованного дна древнего океана рядом с формацией Исуа в западной Гренландии показали возраст около 3,8 миллиарда лет. Затем датировка некоторых прослоек метаморфических гнейсов на северо-западе Канады дала 3,9 миллиарда лет. Более подробные исследования тех же обнажений показали, что они на самом деле являются смесью различных пород, образовавшихся в разное время, а перемешались, возможно, при древнем столкновении литосферных плит. Самым старым частям в этой смеси оказалось чуть больше 4 миллиардов лет. А затем, в 2008 году, появилась новость о возрасте скал на восточном берегу Гудзонова залива — 4,28 миллиарда лет.

По поводу этого рекордного показателя все еще ведутся споры^[29]. Ученые, которые вели анализ, применили необычный подход: примененный ими метод датирования обычно не используется для земных пород. Поэтому некоторые геологи хотели бы получить подтверждение возраста с помощью других методов. Однако в любом случае эти данные четко говорят: даже если образцы с Гудзонова залива кристаллизовались не 4,28 миллиарда лет назад, а попозже, то результаты анализа демонстрируют, что они содержат материал-предшественник, который обладает таким возрастом. Химический анализ также показывает, что эти породы, хотя и подвергались метаморфизму, изначально были вулканическими. Таким образом, независимо от интерпретации даты этих пород, имеющиеся данные указывают, что на Земле уже как минимум 4,28 миллиарда лет назад шли корообразующие вулканические процессы.

Этот вывод подтверждают данные с другого края планеты — из Западной Австралии. Местные метаморфические докембрийские породы намного моложе тех, что обнаружились на берегу Гудзонова залива — им «всего» 3,6 миллиарда лет. Но среди них есть прослойки кварцита — метаморфической породы, состоящей в основном из минерала кварца, а также включающей редкие мелкие кристаллы циркона — минерала, который используется для уран-свинцового метода датирования. Предшественником кварцита был прибрежный песок: кристаллы циркона, как и зерна кварца — часть остаточных продуктов, которые выветрились из еще более древних пород и осели в виде песка вдоль древней береговой линии. Поскольку зерна циркона очень прочны, они сохраняют возраст пород-предшественников. Извлекать их — дело кропотливое: чтобы получить хотя бы небольшое количество зерен, приходится измельчать и просеивать массу кварцита (очень твердой породы), а затем анализировать одно зернышко за другим. Но результат того стоил. Ученые обнаружили, что некоторым кристаллам циркона из австралийских пород более 4 миллиардов лет, а возраст одного из них — 4,4 миллиарда.

Эта очень далекая дата относится к одному маленькому кристаллу, а не к целому массиву пород, как в Канаде. Однако химические характеристики такого зерна циркона указывают, что оно сформировалось в породе, похожей на гранит, который сегодня составляет большую часть континентальной коры. Это означает, что процессы образования коры шли вскоре после образования самой Земли — намного раньше, чем изначально предполагали многие геологи. Это также дает геологам дополнительный стимул (если он вообще нужен) искать места, где могли бы сохраниться более крупные фрагменты самой ранней коры планеты.

Какой была Земля в первые несколько сотен миллионов лет после своего рождения? Мы не знаем наверняка, но можем сделать некоторые разумные предположения. Возможно, покажется удивительным, но часть информации о самых первых днях истории планеты получена не от Земли, а от Луны.

В главе 2 описано чудовищное столкновение, которое выбросило массы расплавленной и испаренной породы в космос, создав диск горячего материала вокруг Земли, который слился и образовал Луну. Это столкновение также добавило материи ко все еще растущей Земле, доведя ее массу до 99 % от нынешнего уровня. Хотя камни и небольшие планетезимали продолжали бомбардировать нашу планету, с тех пор на нее не падало никаких тел, которые хотя бы приближались по размеру к тому телу размером с Марс, которое помогло создать наш спутник. Поэтому дата этого грандиозного столкновения является важным показателем для хронологии формирования Земли. В 2007 году изотопный анализ лунных пород показал время столкновения — примерно 4,5 миллиарда лет назад. Эта дата согласуется с независимыми данными с Земли, которые показывают, что наша планета приближалась к нынешнему размеру и за несколько десятков миллионов лет до этого выделила внутри железное ядро.

Как говорилось в главе 2, одним из самых первых и наиболее важных результатов изучения пород, привезенных астронавтами «Аполлонов», оказался тот факт, что вся внешняя часть древней Луны была расплавленной — буквально океаном магмы. Ученые тщательно исследовали камни из древних поднятых районов Луны, которые являются остатками коры, сформировавшейся при охлаждении и кристаллизации магматического океана: они пытались найти то, что пролило бы свет на самые ранние стадии истории нашего спутника. Однако извлечь информацию из этих пород оказалось не так просто, как могло бы показаться — хотя на Луне не идут процессы, которые нагревают и трансформируют породы земной коры, поднятые районы Луны сильно страдают от метеоритной бомбардировки. Большинство старых пород оказались разбитыми, а некоторые даже расплавленными. Однако тщательные хронологические исследования показывают, что магматический океан имел какую-то твердую кору уже 4,46 миллиарда лет назад — спустя всего 50 миллионов лет после столкновения, породившего нашу спутницу. Самый старый образец с Земли — кристалл циркона возрастом 4,4 миллиарда лет — лишь слегка моложе, и поэтому ясно, что если на Земле также был ранний магматический океан, то кора образовалась тоже к этому времени или даже раньше (см. хронологическую шкалу на рисунке 9). Здесь следует отметить, что, хотя я указываю эти даты как абсолютные числа, у каждой из них есть некая погрешность — как правило, в диапазоне от десяти до нескольких десятков миллионов лет. Это отражает тот факт, что аналитические измерения — даже если их выполнять с помощью самых сложных современных инструментов — всегда обладают некоторой небольшой неточностью. Следует подчеркнуть: небольшой. Хотя 10 миллионов лет могут показаться огромным промежутком времени, это всего лишь несколько десятых процента от возраста самих материалов.

В исследованиях самого старого тела Земли — того кристалла циркона возрастом 4,4 миллиарда лет — примечательно то, что удалось не только измерить его возраст, но и определить многие параметры химического состава. Кристалл не больше песчинки размером, однако с помощью современных инструментов, способных анализировать области размером намного меньше, чем диаметр человеческого волоса, геохимики смогли добыть информацию об условиях, которые царили на Земле 4,4 миллиарда лет назад. Главный вывод состоит в том, что на поверхности присутствовала жидкая вода. Возможно, это не выглядит слишком удивительно, если учесть повсеместное распространение океанов сегодня. Однако вспомните, что это происходило всего через 100 миллионов лет после того, как сильнейший удар вызвал крупномасштабное плавление пород. Это было начало катархея — эона, который продолжался до момента 3,8 миллиарда лет назад: тогда Землю бомбардировали космические тела, а на поверхности, вероятно, стояла высокая температура. До появления результатов изучения древних кристаллов циркона многие геологи полагали, что в ту раннюю эпоху вся вода существовала только в виде пара в атмосфере, но не в виде жидкого первобытного океана.