Текст книги "История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет"

Автор книги: Роберт Хейзен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

Парадокс тусклого Солнца

Мало нам проблем с противоречивыми выводами о первоначальном океане, а тут еще одна загадка: согласно современным астрономическим наблюдениям и все более точным астрофизическим расчетам, звезды, подобные нашему Солнцу, на протяжении своего существования медленно, но неуклонно становятся все более яркими. По таким расчетам, молодое Солнце 4,4 млрд лет назад было на 25–30 % менее ярким, чем сегодня. Более того, всего около 1,5 млрд лет назад свет нашего светила оставался недостаточно комфортным. Если сегодня Солнце внезапно потускнеет до такого состояния, Земля стремительно превратится в пустынный ледник: океаны покроются льдом от полюсов до экватора и все живое на Земле погибнет. При таком катастрофическом изменении климата выживут только самые выносливые организмы, подземные микроорганизмы и животные, обитающие в защищенных гидротермальных зонах поблизости от вулканов.

С учетом нежаркого раннего Солнца Земля должна была бы быстро обледенеть. И все же геологические данные недвусмысленно свидетельствуют об изобилии жидкой воды на ее поверхности по крайней мере 4 млрд лет назад. Часто встречаются осадки, отложенные как в мелких, так и в глубоких водоемах. Именно в этот период на Земле зародилась и окрепла жизнь. Как же могло получиться, что первоначальный океан оставался жидким?

Конечно, часть теплового дефицита при нежарком Солнце компенсировалась раскаленным состоянием самой Земли. Хотя образование поверхностной коры над магматическим океаном уже состоялось, обилие расплавленных горных пород и вулканическая активность в достаточной мере согревали поверхность Земли. Поверхностный океан на согретой изнутри планете продолжал оставаться теплым даже в процессе остывания и утолщения земной коры.

Популярная гипотеза, объясняя парадокс прохладного Солнца, указывает на мощный парниковый эффект, возникший под воздействием концентрации углекислого газа в атмосфере, возможно, раз в десять более плотной, чем в наше время (именно высокая концентрация CO2 могла вызвать окисление океана и повысить его соленость).

Другой научный сценарий исходит из того, что Земля, сначала в черной фазе, затем в голубой, поглощала гораздо больше солнечной энергии, чем сегодня. В наше время океан поглощает больше света, чем суша, – возможно, вода первоначальных океанов отличалась более высоким содержанием железа. Это усиленное поглощение солнечной энергии сочеталось с недостаточной облачностью, которая способствует рассеянию света; в наши дни растения и химические элементы играют важную роль в образовании облаков, но миллиарды лет назад никаких растений, способных усилить процесс сгущения облачности, на Земле не было.

Существует и другая гипотеза, согласно которой важная роль отводится высокому содержанию парникового газа метана в атмосфере. Любопытным следствием концентрации метана в атмосфере могли стать химические реакции в верхних слоях атмосферы, в результате которых ультрафиолетовое излучение запустило синтез разнообразных органических молекул, включая составные элементы элементарных живых форм. Скопление таких органических молекул могло способствовать образованию толстого слоя тумана, превратившего голубую Землю в оранжевую планету, чем-то похожую на крупный спутник Сатурна – Титан.

Таким образом, не располагая точными данными о положении дел в те времена, мы имеем несколько возможных объяснений того, почему Земля не превратилась в обледеневший шар. Об одном можно утверждать с уверенностью: однажды возникший, Мировой океан сыграл важную роль в формировании структуры земной поверхности – в формировании рельефа, в эволюции минеральных веществ и в происхождении биосферы. Вода продолжает воздействовать на все стороны жизни как концентратор минеральных ресурсов, как главный фактор эволюции земной коры и как среда для всех видов жизни.

Глава 5
Серая Земля

Первичная гранитная кора

Возраст Земли: от 200 до 500 млн лет

Сегодняшняя Земля – это планета контрастов: одну ее треть занимает суша, две трети – вода; из космоса планета смотрится как смесь голубого, коричневого и зеленого цветов с завихрениями белого. Не так все выглядело 4,4 млрд лет назад, когда разбросанные повсюду симметричные конусы вулканов из черного базальта были единственными скудными островками суши, разнообразившими монотонную голубизну неглубоких морей. Картина изменилась с появлением гранита – грубой, шероховатой прочной основы континентов.

История Земли представляет собой процесс дифференцирования – разделения и концентрации элементов во все новые и новые породы и минералы, в моря и континенты и, наконец, в живые формы. Это повторялось раз за разом. Внутренние плотнотельные планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – формировались в то время, когда интенсивные порывы солнечного ветра отделяли водород и гелий от более тяжелой шестерки элементов, выталкивая легкие газообразные элементы наружу, в область таких гигантов, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. На Земле тяжелое расплавленное железо устремлялось к центру по мере того, как металлическое ядро отделялось от насыщенной перидотитом мантии. В результате частичного расплавления перидотита образовался базальт – порода, богатая кремнием, кальцием и алюминием, которая, отделившись от перидотита, сформировала первую, тонкую и черную земную кору. В результате извержений базальт выбрасывался на поверхность, а вода и другие летучие вещества отделялись от базальтовой магмы, создавая океан и атмосферу. Каждое извержение разделяло и вновь соединяло элементы, всякий раз ускоряя расслоение и увеличивая разнообразие веществ на планете.

Возникновение континентов стало следующим важным этапом эволюции Земли. По мере того как остывали внешние слои базальтовой коры, формировалась своего рода крышка, заслонка для все еще расплавленной магмы в нижних слоях. Базальт, нагреваемый снизу, снова начинал плавиться при сравнительно низких температурах, чему способствовало наличие воды, – примерно при 700 °С. Повышение температуры увеличивало объем расплавленного базальта: вначале расплавилось 5 %, потом 10 %, затем 25 %. Одновременно плавился периодит, и в результате получилась магма, состав которой существенно отличался от начальной базальтовой породы. В новом сплаве заметно увеличивалось присутствие кремния, а также натрия и калия. В этой расплавленной жидкости также концентрировалась вода и такие редкие элементы, как бериллий, литий, уран, цирконий, тантал и многие другие. Вновь образованная кремнистая магма отличалась гораздо меньшей плотностью, чем базальт, а потому неминуемо пробивалась к поверхности, формируя первый гранит.

Большинство гранитов имеет простой минеральный состав – они состоят всего из четырех минералов. Прозрачные бесцветные кристаллы кварца – чистого оксида кремния – изобилуют в граните. Их жесткие зерна, выветриваясь, создали первые на Земле белые песчаные пляжи. Две разновидности полевого шпата, в составе которых преобладает либо калий, либо натрий, придавали первым земным гранитам однообразный серовато-белый оттенок. Кроме того, в каждом виде гранита присутствовали доли четвертого, темного железистого минерала – либо пироксена, либо слюды, а иногда удлиненные кристаллы амфибола. Приглядитесь к полированному граниту столешницы или облицовки зданий – и вы увидите там все четыре компонента.

Наличие более редких элементов может проявиться в крохотных зернах дополнительных минералов, например циркона, в котором сконцентрирован цирконий. В предыдущей главе уже упоминалось о мелких красных кристаллах циркона, извлеченных из осадочных пород в горах Джек-Хиллс в Австралии, указывающих на существование первоначального океана 4,4 млрд лет назад. Те же самые кристаллы, образованные в более прохладной, влажной среде, могут указывать на ранние сроки формирования гранита. Цирконы из Джек-Хиллс не только содержат тяжелые изотопы кислорода, подтверждающие наличие воды и относительно прохладных температурных условий их формирования, но и включают отдельные вкрапления кварца (в основном, кристаллы возрастом 4 млрд лет) – минерала, чрезвычайно редко встречаемого до образования гранитов. По мнению некоторых специалистов, эти древние, охлажденные кристаллы циркона, содержащие кварц, являются последними сохранившимися остатками древнейшей гранитной коры.

Происхождение гранита является первым свидетельством отличия эволюции минералов Земли от эволюции минералов на соседних планетах. Образование гранита требует огромного количества базальта, располагающегося близко к поверхности планеты, а также интенсивного источника внутреннего тепла, способного его расплавить. Планеты меньшего размера, Марс и Меркурий, а также спутник Земли Луна тоже покрыты базальтовой корой, но они слишком малы, чтобы образовать большое количество гранита. Им недостает внутреннего источника тепловой энергии. Несомненно, и на этих планетах образовалось какое-то количество гранита, но оно не идет ни в какое сравнение с глубоко укорененными гранитными континентами Земли.

Плавучесть

Зачаточная земная кора из черного базальта, размягчаемая теплом, идущим из недр планеты, плотность которой была раза в три больше воды, не могла обеспечить устойчивый рельеф. Вулканические извержения километр-два высотой могли образовать разбросанные на значительном расстоянии черные острова, но до образования континентов на Земле не существовало ни крупных горных массивов, ни глубоких океанских впадин. Гранит со своей сравнительно низкой средней плотностью (в 2,7 раза плотнее воды) сыграл решающую роль. Гранит неизменно всплывает поверх базальта и перидотита; он образует крупные нагромождения, вздымаясь на несколько километров над поверхностью, подобно айсбергу. Лед, будучи на 10 % легче воды, может служить аналогом. Из-за этой разницы не более 10 % объема айсберга возвышается над водой. Зазубренный айсберг высотой метров 60 может подниматься над водой всего на 10 м – в результате мы можем наблюдать так называемую «верхушку айсберга». По той же причине гранит, плотность которого на 10 % меньше, чем у базальта, всплывает над его поверхностью в аналогичной пропорции.

Итак, базальтовая кора Земли плавилась, образуя гранитные слои один над другим, начали формироваться похожие на верхушки айсбергов выступы над поверхностью. Гранитный слой толщиной 1,5 км мог возвышаться над уровнем базальтовой коры почти на 300 м. Однако со временем масса гранита увеличилась, и ее толщина достигла многих километров; соответственно континентальные массивы все выше поднимались над океаном, а некоторые горные гряды вздымались над поверхностью воды на тысячи метров. Ныне цепь Скалистых гор на западе Америки, гранитные корни которых уходят в глубину более чем на 60 км, включает отдельные пики до 4 км высотой. Этот становой хребет Американского континента возвышается как свидетельство плавучести гранита.

В 1970 г., когда я учился на геологическом факультете MIT, выталкивающая сила как основа геологических изменений была незыблемым правилом во всех учебниках. (Мы пользовались 2-м изданием книги британского геолога Артура Холмса «Основы физической геологии»[9]9
  Холмс А. Основы физической геологии. – М.: Издательство иностранной литературы, 1949.


[Закрыть], выпущенной в 1965 г. и прекрасно иллюстрированной.) Это явление называлось «изостазия». Ведущая сила «вертикальной тектоники» называлась «изостатическим равновесием». Замечательная гравюра, почти без изменений перешедшая из учебников геологии XIX в., изображала ряд прямоугольных деревянных блоков, плавающих в воде. Более объемные блоки больше возвышались над водой, подобно горам. Мы узнавали, как океанические бассейны заполнялись толстыми слоями отложений, а эти отложения плавились, образуя гранитные массивы. Мы изучали, как на основе этих плавучих гранитных основ постепенно вырастали горы. В то время это звучало вполне убедительно, и до сих пор эта гипотеза преобладает в представлении о том, как более 4 млрд лет назад сформировалась земная кора.

На ранних этапах истории Земли, возможно, в первые две сотни миллионов лет, над огненной поверхностью начали формироваться небольшие плавучие серые гранитные массивы, а в глубине под ними частично плавился базальт. В те времена вертикальная тектоника и изостазия преобладали, как и утверждал Артур Холмс. Эти первые континентальные голые островки гранита омывались всеми волнами и овевались всеми ветрами. Выветривание кристаллов кварца медленно формировало узкие полоски песчаных берегов, а отложения полевого шпата превращались в скудную глинистую почву. Первые разрозненные гранитные острова отличались малыми размерами, поднимались невысоко над поверхностью океана – и ничто не предвещало, что они превратятся в будущие континенты.

Повторный удар?

И все-таки как же испещренная вулканами, базальтовая Земля превратилась в планету с обширными гранитными континентами? Как несколько первых одиноких гранитных островков разрослись в громадные массивы суши, заполнившие оба полушария? Ученые выдвигали самые невероятные гипотезы. Одна из распространенных идей не отличалась оригинальностью: формирование континентов обусловлено случайностью – ударом астероида.

Действительно, в течение миллиарда лет после уничтожения Тейи и образования Луны время от времени Землю атаковали астероиды. Это неопровержимый факт. По оценкам экспертов, десятки крупных астероидов более сотни километров в диаметре, блуждающие остатки какой-нибудь планеты раннего периода, сталкивались с Землей в эпоху ее формирования. Представим себе, как 4 млрд лет назад потоки расплавленного камня поднимаются сквозь тонкую поверхность первичного океана. Десятки, если не сотни, таких огненных гейзеров вздымались из недр Земли, создавая конвекционный оборот тепловой энергии. Гигантские вулканы изрыгали базальтовую лаву, а расплавленная базальтовая кора тем временем порождала граниты, утолщая земную твердь.

И вдруг происходит катастрофа: 50-километровый астероид обрушивается на вулканический остров, уничтожая всякую твердую почву на сотни километров вокруг. Этот удар порождает гигантское озеро магмы, одновременно заваливая прилегающую к озеру поверхность сгустками расплавленной лавы и осколками камней. Космический пришелец блокирует поток магмы, которому теперь приходится искать другой выход на поверхность.

Согласно этому хитроумному сценарию, магматический поток после такой атаки меняет путь, выталкивая снизу некий микроконтинент, имеющий базальтовую основу и тонкую гранитную поверхность. Располагаясь под такой плотной, не пропускающей тепло базальтовой заслонкой, внутренний источник тепловой энергии способствует ускоренному образованию гранита и наращиванию таким образом слоя твердой гранитной корки. Эта фантастическая картина, возможно, являлась частью процесса формирования континентов на планете. За миллиард лет вертикальной тектоники, ускоренной падениями крупных астероидов, в океане возник бесконечный ряд вулканических островов смешанного базальто-гранитного состава. Так постепенно из моря поднималась суша. Четыре миллиарда лет назад громадные острова, хаотично разбросанные по всей планете, по-видимому, составляли весьма скромную часть ее поверхности.

Но вот появилась тектоника плит – и формирование земной коры вступило в ускоренную фазу.

Дрейфующие континенты

Открытие такого важного геологического механизма, как тектоника плит, оказало влияние на всю современную науку. Этой теории предшествовали по меньшей мере четыре века исследований, но довольно долгое время сама мысль о том, что целые континенты могут каким-то образом перемещаться по земной поверхности, была смутной и казалась ересью, а распространение и широкое признание получила лишь в результате интенсивной международной научной деятельности, приведшей к открытиям 60-х годов прошлого века. Но как только накопилось достаточно данных, естественные науки пережили один из самых революционных сдвигов в своей истории. На самом деле в течение пяти лет моего обучения в MIT, т. е. к середине 1970-х гг., все учебники по геологии пришлось полностью переписывать, поскольку незыблемый принцип вертикальной тектоники был полностью опровергнут.

Взгляд в прошлое показывает, что некоторые доводы против вертикальной тектоники давно должны были быть замечены. Несмотря на приличную высоту Скалистых гор, они являются просто карликами по сравнению с почти 9-километровым Эверестом, да и всем горным массивом Гималаев. Средняя глубина Мирового океана составляет примерно 3–4 км, тогда как глубина Марианской впадины в Тихом океане составляет более 11 км. Такие топографические контрасты просто не смогли бы существовать в изостатическом мире. Вертикальная тектоника не объясняет всего.

Некоторые намеки на роль латеральной тектоники (боковых движений) в геологической эволюции планеты можно найти в первых уточненных картах побережий Нового Света. К началу XVII в. уже стала очевидной поразительная совместимость между восточной береговой линией Американского континента и западными берегами Европы и Африки. Те же извилистые очертания, впадины и выступы, округленные контуры крайней юго-западной оконечности Африки и соответствующие им извивы побережья на востоке Южной Америки – все это указывало на некую древнюю картинку-пазл, фрагменты которой подходят друг к другу.

Было выдвинуто несколько причудливых гипотез в попытке объяснить загадочное совпадение между береговыми очертаниями континентов, разделенных Атлантическим океаном. Астроном Уильям Генри Пикеринг из Гарварда, сторонник теории Джорджа Дарвина об отпадении Луны от Земли (Луна оторвалась в виде расплавленного сгустка от быстро вращающейся Земли), утверждал, что одновременно с отрывом Луны в районе Тихого океана на противоположной стороне Земли образовалась впадина Атлантического океана. Некоторые усматривали в форме Атлантического океана промысел Божий. Возможно, берега Атлантического океана образовались в результате Всемирного потопа, который был вызван Господом несколько тысяч лет назад для сотворения огромного океана и «разделения земель».

Разрешить вопрос могли бы системные геологические изыскания, но четыре столетия назад даже слова «геология» не существовало, тем более каких бы то ни было изысканий. Горное дело и сельское хозяйство, движущие силы экономики, стоявшие за первыми геологическими съемками в конце XVIII в., были делом исключительно государственным и внутринациональным. Мало что предпринималось, чтобы вывести исследование геологических формаций за пределы политических границ, да и ресурсы отдельных стран отнюдь не с большой охотой соединялись в интересах общей работы. Золото в буквальном смысле принадлежало той земле, в которой его находили. В таком националистическом подходе к картографии не могло найтись места планам сопоставить геологические особенности побережий, расположенных по обе стороны Атлантического океана.

Впервые попытка подробно сравнить геологические особенности по обе стороны океана была предпринята совершенно неожиданным человеком – метеорологом Альфредом Вегенером, который большую часть жизни был связан с Арктикой. (Он умер в возрасте 50 лет, участвуя в спасательной экспедиции в ледяных просторах Гренландии.) Его профессиональная деятельность в основном была посвящена исследованию погодных процессов, но главным трудом его жизни стало то, что он называл «дрейфом материков»; это был первый и явно недооцененный вклад в теорию тектоники плит. Вдохновение, результатом которого стала столь неожиданная теория в области геологии, пришло к нему во время Первой мировой войны, когда он служил лейтенантом-резервистом в германской армии. Получив ранение в шею во время бельгийского похода, Вегенер был демобилизован и получил разрешение заняться наукой.

Подобно своим предшественникам, Вегенер был поражен очевидным сходством береговых очертаний материков по обе стороны Атлантического океана, хотя ряд ученых отметали это сходство как простое совпадение. Вегенер провел обширные исследования и обнаружил, что аналогичные совпадения наблюдаются в различных местах побережья Восточной Африки, Антарктиды, Индии и Австралии. Получалось, что все материки на Земле можно было аккуратно сдвинуть в один огромный суперконтинент, который Вегенер назвал Пангеей (от греч. Πανγαĩα – все земли). У него нашлось несколько единомышленников, принимавших во внимание новейшие данные геологических съемок прибрежных регионов Европы, Африки и обеих Америк, в которых обобщались уточнения относительно огромной территории по обеим сторонам Атлантики. Крупнейшие горнодобывающие районы, например золотые и алмазные рудники Бразилии и Южной Африки, оказывались единым громадным месторождением, если совместить края противоположных материков. Аналогичным образом с высокой точностью совпадали слои горных пород, содержащие остатки своеобразных ископаемых папоротников Glossopteris и вымерших рептилий Mesosaurus. Вегенер утверждал, что такие детальные геологические и палеонтологические совпадения не могли быть простой случайностью.

Впервые Вегенер опубликовал свою гипотезу дрейфа континентов в 1915 г. За этим последовали три публикации на немецком языке с новыми подробностями, в 1924 г. вышел английский перевод под названием «Происхождение материков и океанов», а также ряд других изданий. Появлялись все новые данные в поддержку гипотезы о том, что когда-то все материки представляли собой единое целое. В 1917 г. комитет палеонтологов свел в единый каталог десятки примеров очевидных совпадений между слоями, содержащими окаменелости, по обе стороны океанов – эти сведения были истолкованы как свидетельства наличия сухопутных связей между материками в древности. Геолог из Южной Африки Джеймс дю Тойт, увлеченный идеями Вегенера, получил грант от Института Карнеги для проведения исследований на восточном побережье Южной Америки. Он зафиксировал множество примеров трансатлантических совпадений: поразительное сходство минералов, горных пород и ископаемых.

Однако, несмотря на накопленные данные, свидетельствующие о совместимости материков, сообщество ученых оставалось равнодушным. Отсутствие правдоподобного объяснения механизмов движения континентов заставляло многих геологов открыто пренебрегать доводами Вегенера. Их критическое отношение к его гипотезе зиждилось на законах движения, сформулированных Ньютоном, согласно которым передвижение огромных континентальных масс невозможно без наличия колоссальной движущей силы. Пока не объявится такая сила в глобальном масштабе, дрейф материков будет рассматриваться не более серьезно, чем бредовая идея геолога-любителя. В 1923 г. физик Гарольд Джеффрис из Кембриджа подытожил британскую точку зрения на этот вопрос: «Физические основания, которые приводит Вегенер, просто смехотворно нелепы». Американские геологи придерживались похожих взглядов. На симпозиуме в 1926 г. Роллин Чемберлен с факультета геологии Университета Чикаго жестко высказался о гипотезе континентального дрейфа: «В целом гипотеза Вегенера относится к типу легкомысленных, она слишком вольно трактует глобальные процессы, к тому же слабо связана ограничениями и в большей степени игнорирует неудобные факты, нежели другие конкурирующие теории. Чтобы поверить в теорию Вегенера, нам придется забыть все, что мы усвоили за последние 70 лет, и начать все сначала».

Однако нашлись ученые, проявившие большой интерес к открытиям Вегенера и его сторонников, и начали искать новые механизмы, объясняющие дрейф материков. Согласно одной из гипотез, Земля сжимается, возможно, из-за охлаждения или из-за обрушения наполненных газом пустот глубоко в недрах планеты, и таким образом части поверхностной коры постепенно опускаются, подобно разбитому своду. Согласно этой мало обоснованной модели, когда-то между западным побережьем Америки и восточными берегами Африки и Азии существовало обширное пространство суши. Нынешний Атлантический океан рассматривался как гигантский свод суши, рухнувший в мантию. Эту модель сжимающейся Земли опровергает простая эвклидова геометрия: обычный свод может обрушиться, но если перенести эту идею на шар, окажется, что участок суши объемом с Атлантический океан явно не может рухнуть в никуда.

Выдвигалась и противоположная гипотеза, согласно которой Земля расширяется, надувается, как аэростат, на протяжении геологического времени. В давние-предавние времена существовала только континентальная кора, которая начала трескаться и раскалываться, когда планета раздулась (одно из объяснений – воздействие глубинных раскаленных газов). Если прокрутить такую воображаемую пленку назад, то мы увидим, что в какой-то момент все материки составляли сплошной покров шара, диаметром примерно три пятых от современного размера Земли. С 1920-х по 1960-е гг. эта гипотеза (за неимением других объяснений феномена Атлантики) поддерживалась рядом специалистов, пока ее не потеснила весьма захватывающая новая идея.