Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 21)

Атмосфера того времени, возможно, отличалась от современной и по другим параметрам. В начале 1970-х годов астроном и популяризатор науки Карл Саган указал, что 4,5 миллиарда лет назад тепловыделение Солнца было на 20–25 % меньше, чем сейчас, а потом постепенно увеличивалось до современного уровня. Этот вывод, основанный на хорошо известных закономерностях эволюции звезд, похожих на наше Солнце, имеет важные последствия для климата Земли. Это привело к так называемому «парадоксу молодого слабого Солнца»: если уровень солнечной энергии был в прошлом настолько низким, то почему в геологической летописи нет свидетельств, что планета находилась в замороженном состоянии? Ответ почти наверняка заключается в том, что температуру планеты поддерживали улавливающие тепло парниковые газы, которых в то время в атмосфере было гораздо больше, чем сегодня.

Из всех парниковых газов чаще всего мы слышим об углекислом газе (он же диоксид углерода или двуокись углерода). Его концентрация в атмосфере древней Земли, возможно, была в несколько раз выше сегодняшнего уровня, однако вполне может быть, что важную роль в предотвращении замерзания Земли играл и другой газ, обладающий парниковым эффектом — метан. Как и углекислый газ, метан входит в состав вулканических газов. Однако сегодня большую часть метана, попадающего в атмосферу, производят микробы. Неизвестно, когда стали развиваться эти микроорганизмы, но они имеют древнее происхождение — относятся к археям, самым ранним из известных микробов. Они процветают в условиях нехватки кислорода и, появившись на Земле, стали обильным источником парниковых газов.

Сегодня на Земле метан разрушают различные окислительные реакции: среднее время жизни молекулы в атмосфере — меньше десяти лет. Однако в бескислородных условиях ранней Земли молекулы метана оставались в атмосфере в тысячу раз дольше, и поэтому общие концентрации могли бы достичь гораздо больших величин. В сочетании с высокой концентрацией углекислого газа это могло уберечь планету от замерзания, а может быть, даже делало ее довольно теплой. Когда в атмосфере появился свободный кислород, содержание метана начало уменьшаться, но это падение, видимо, было не резким, поскольку уровень кислорода оставался низким на протяжении всего протерозойского эона.

Бедная кислородом и богатая парниковыми газами атмосфера первых двух миллиардов лет существования Земли влияла на всё — от химии океана до биологической эволюции, климата и выветривания горных пород на поверхности планеты. Однако от нынешнего состояния отличались не только тогдашние океаны и атмосфера. Другой была и суша — особенно природа и рельеф континентов. Найти подтверждения этому еще труднее, чем в случае атмосферы. Некоторые подсказки можно отыскать в тектоническом движении плит — основном геологическом процессе, влияющем сегодня на континенты.

Сохранившихся фрагментов древнейшей континентальной коры Земли немного, они невелики по размеру и сильно метаморфизированы, однако встречаются на всех континентах (карту, показывающую их распределение, см. на рисунке 20). Большинство таких анклавов древней коры содержат породы, в целом похожие на гранит. Мы уже видели, что самое старое на Земле зерно минерала — кристаллик циркона возрастом 4,4 миллиарда лет из Западной Австралии — образовалось внутри какой-то гранитоподобной породы. Сегодня образование гранита тесно связано с тектоникой плит, а значит, это можно считать косвенным подтверждением того, что этот процесс действовал со времен катархейского эона. Когда именно началась современная тектоника плит, вопрос спорный, и мнения геофизиков тут расходятся, однако большинство соглашается, что такой процесс работал к концу архейского эона 2,5 миллиарда лет, а может быть, и раньше. Последние исследования показывают признаки того, что тектоника плит (или, по крайней мере, нечто близкое к современной тектонике) играла определенную роль в формировании поверхности Земли более трех миллиардов лет назад, а возможно, еще раньше в катархее.

Каким образом ранняя тектоника плит формировала поверхность нашей планеты? Были ли тогда горы и долины, сходные с сегодняшними, или все было совсем иначе? К сожалению, геологическая летопись не помогает понять древний рельеф: отчасти потому, что от того времени осталось мало фрагментов коры, отчасти потому, что дожившие до наших дней породы просто не содержат никаких намеков на формы поверхности Земли — или, по крайней мере, геофизики пока ничего не смогли расшифровать. Однако кое-что можно вывести из теоретических соображений и геофизического моделирования. Например, мы знаем, что во время катархейского и архейского эонов Земля была намного горячее, чем сегодня — как из-за своего бурного рождения, сопровождаемого теплом, так и вследствие природного распада радиоактивных изотопов (со временем тепло радиоактивного распада уменьшается по мере радиоактивного распада). Моделирование показывает, что в условиях более высокой температуры литосфера — твердая наружная оболочка Земли — была гораздо менее прочной, чем сейчас.

Менее прочная литосфера не могла бы удержать крупные горные системы вроде Гималаев и Анд. Вероятно, наша планета была более плоской, чем сегодня: горы поднимались на километр-полтора, это меньше высоты Денвера^[31]. Сглаженный рельеф означает, что эрозия (которая сильнее всего в регионах с высоким рельефом), возможно, не так активно, как сегодня, разрушала вулканические породы небольших существовавших континентов и преобразовывала их в осадочные породы. Однако частично это могло уравновешиваться повышенным уровнем углекислого газа в атмосфере: из-за него увеличивался уровень кислотных осадков, что приводило к более интенсивному разрушению поверхностных пород.

Несомненно, вы обратили внимание, что в этой главе часто использовались слова «возможно», «вероятно», «может быть». Дело в том, что трудно сказать что-то определенное об условиях и событиях, имевших место миллиарды лет назад. Чем ближе к настоящему, тем более ясны геологические свидетельства. И хотя о катархейском и архейском эонах мы многого не знаем, я надеюсь, эта глава прояснила для вас то, что нам все-таки известно. Сведения, хранимые в горных породах, вкупе с теоретическими выводами показывают, что в конце архея небольшие континенты Земли были невысокими, в атмосфере почти не наблюдалось кислорода, а жизнь существовала только в виде одноклеточных организмов, населявших моря. На бесплодной суше не было ни растений, ни животных, а средние температуры были высокими из-за парникового эффекта, обеспеченного метаном и двуокисью углерода. На поверхность планеты падало смертельное ультрафиолетовое излучение. Прошла почти половина истории Земли, а мир все еще серьезно отличался от того, что мы знаем сегодня.

Глава 5

Блуждающие плиты

До 1960-х годов у геологов были достаточно причудливые представления о том, как образовались крупные горные хребты — например, Альпы или Анды. Особенно их озадачивали гигантские складки, которые показывало геологическое картирование в Альпах: толстые слои осадочных пород, первоначально отложившиеся на дно океана, теперь возвышались на километры выше уровня моря, закручиваясь при этом как свернутый ковер. Это требовало вводить в объяснения непонятные «сжимающие силы» и вертикальные перемещения. Никто не мог точно сказать, как действуют эти таинственные силы. Однако сегодня каждый студент-геолог может подробно рассказать, как тектоника плит связана с горными хребтами и многими другими аспектами топографии планеты. Концепция динамической Земли с толстыми плитами, движущимися и взаимодействующими на ее поверхности, обогатила повседневный язык метафорой для радикальных перемен, когда говорят о «двигающихся тектонических плитах» в международных отношениях, политике, финансах или бизнесе.

Перемещения плит меняли облик планеты на протяжении большей части ее истории. Движущей силой является охлаждение нашей планеты из исходного горячего состояния, особенно охлаждение металлического ядра, при котором тепло передается в вышележащую мантию и способствует медленной крупномасштабной конвекции. Устойчивые потоки горячих пород мантии взаимодействуют с холодной твердой внешней оболочкой — литосферой — и заставляют ее двигаться. Однако литосфера — не единый сплошной слой; она разделена на множество фрагментов — литосферных (тектонических) плит (рисунок 11).

Основные принципы тектоники плит разработали в 1960-е годы, что произвело революцию в геологическом мире. То, что раньше было описательной наукой, превратилось в более предсказательную, в которой было проще связать причины и следствия. Тектоника плит стала моделью для понимания, как функционирует Земля в крупных масштабах. Стало ясно то, что раньше понимали плохо: как устроены горные хребты, почему землетрясения и вулканы сконцентрированы в определенных регионах Земли и как формируются бассейны океанов. Эта теория также заставила геологов мыслить глобально и рассматривать даже локальные особенности в более широком контексте. Хотя океаны и атмосфера не являются непосредственной частью теории литосферных плит, геологи вовлекли в геологическое мышление и их, и их взаимодействие с сушей. Когда взаимосвязь геологических процессов стала очевидной, в знак признания этого нового мышления геологические факультеты университетов по всей планете переименовали в факультеты наук о Земле или наук о Земле и окружающей среде.