История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Шрифт:
Кто мог тогда предвидеть, что самым продуктивным источником доказательств окажутся породы «скучного миллиарда»?
Чтобы облечь количественной плотью голый костяк эволюционной гипотезы, надо было исследовать отдельные группы минералов. И вот я связался с Эдом Гру, профессором-исследователем в области наук о Земле из Университета Мэна. Эд, выносливый и упорный исследователь, посвятил свою жизнь тщательному изучению минералов, в состав которых входят бериллий и бор – редкие элементы, которые время от времени концентрируются в крупные, красивые кристаллы. Он знает все 108 официально зарегистрированных минералов, в состав которых входит бериллий, как собственных друзей. У каждого из них свой характер, каждый играет свою геологическую роль. Я попросил его воссоздать их описание во времени. Когда они появились? Какие процессы привели к увеличению их разновидностей? «Вымерли»
После целого года тяжелейшего труда Эд Гру построил примерную диаграмму, показывающую совокупное количество всех бериллиевых минералов на временной шкале, на основе тысяч известных находок. Как и ожидалось, потребовалось длительное время для появления первого берилла – почти 1,5 млрд лет. В земной коре бериллий присутствует в отношении два на миллион, так что проходит много времени, прежде чем бериллий попадет в обогащенную жидкую среду, где осядут кристаллы берилла. В течение следующего миллиарда лет появилось всего лишь около двадцати разновидностей бериллиевых минералов. Согласно нашей новорожденной теории, всплеск образования новых минералов должен был прийтись на период Великого кислородного события, между 2,4 и 2,0 млрд лет назад, но Эд обнаружил нечто иное. Наивысший прирост минералов случился несколько позднее, когда между 1,8 и 1,7 млрд лет назад количество разновидностей минералов увеличилось больше чем в два раза. Этот промежуток времени, как раз в самом начале «скучного» миллиарда, был периодом сборки суперконтинента Колумбия. Возможно, бериллий накапливался в новых минералах в процессе интенсивного горообразования, вызванного столкновением континентов.
Вслед за бериллием Эд Гру предпринял еще более впечатляющее исследование 263 разновидностей минералов бора. Самая известная красно-зеленая разновидность полудрагоценного турмалина обнаруживается в древнейших на Земле породах, но возраст их не превышает полумиллиарда лет. В образцах давностью 2,5 млрд лет можно встретить едва ли двадцать разновидностей минералов с бором – менее 10 % от современного количества. Как и в случае с бериллием, Эд обнаружил удвоение численности различных бористых минералов в породах времен «скучного» миллиарда, на сей раз в промежутке между 2,1 и 1,7 млрд лет назад, т. е. от начала до конца существования Колумбии. И вновь этот интенсивный прирост разновидностей минералов вызывает множество вопросов – о том, когда именно после Великого кислородного события произошло увеличение разновидностей минералов, когда и как собирались суперконтиненты, почему минералогические новшества пришлись именно на «скучный миллиард».
Следующий набег на истоки минеральной эволюции мы совершили, выбрав 90 известных минералов, содержащих редкий элемент ртуть, – и это исследование еще более осложнило картину. Подобно гораздо более распространенному элементу – железу, ртуть встречается в трех химических состояниях: как богатый электронами металл (знакомая серебристая жидкость в старых термометрах), а также в виде двух окислов. Таким образом, мы ожидали встретить всплеск интенсивного увеличения разновидностей ртутных минералов вслед за Великим кислородным событием, но открылась совершенно иная картина. Как и в истории бериллия и бора, потребовалось более миллиарда лет для появления древнейшего ртутного минерала – самой распространенной ртутной породы, ярко-красной киновари. Остальные разновидности следовали импульсами: примерно дюжина новых ртутных минералов возникла во время сборки Кенорленда; потом были полмиллиарда лет застоя; потом еще полдюжины новообразований появилось в период сборки Колумбии. Очевидно, при столкновении континентов процесс горообразования сопровождается высвобождением потока минерализующих жидкостных сред, где и зарождаются новые минералы. Открытие того, что такая минерализация приходилась строго на промежутки между формированием суперконтинентов, оказалось большим сюрпризом.
Затем последовало еще одно удивительное открытие: в течение длительного времени (от 1,8 млрд до 600 млн лет назад – дольше самого «скучного» миллиарда) не происходило ничего. Даже в период сборки суперконтинента Родиния, миллиард лет назад, не появилось ни единого нового ртутного минерала. Мы заподозрили, что виноват в этом насыщенный серой, промежуточный океан. Киноварь, сульфид ртути, является наименее растворимым из всех пород. Каждый атом ртути, попавший в древние сернистые моря, тут же взаимодействовал с серой, образуя микроскопические частицы киновари, которые медленно оседали на дно, прекращая дальнейшую минерализацию ртути. И только в последние 600 млн лет, когда вода в океанах насытилась кислородом, а на суше укрепилась живая природа, произошла взрывная минерализация ртути.
Загадки
Итак, явилось ли взрывообразное появление новых минералов следствием цикла сборки суперконтинента, характерного для «скучного» миллиарда? Стало ли это замедленной реакцией на распространение кислорода? Что касается ртути: исчерпывается ли история появления ртутных минералов гипотезой связанной с сернистым океаном? Какие еще открытия преподнесет исследование других пятидесяти с лишним минералообразующих элементов? Ясно, что нам предстоит еще многое узнать – ведь мы только-только обратились к богатым подробностям истории «скучного» миллиарда.
Этот малоизученный промежуток времени, от 1,85 млрд до 850 млн лет назад, точно так же отмечен постоянными переменами, которые характерны для каждой стадии эволюции нашей планеты. К периоду, начавшемуся 850 млн лет назад, приповерхностная среда Земли необратимо изменилась. Постоянно обогащавшийся кислородом океан у берегов изобиловал водорослями и микроорганизмами, включая зловонные серные бактерии, а тем временем на суше развивалась своя жизнь. Как бы то ни было, загадочный, не столь уж скучный миллиард показывает нам, что Земля время от времени переживает застой – приводя в равновесие многочисленные противоборствующие силы. Силы тяготения и поток тепловой энергии, сера и кислород, вода и живое вещество удерживаются в равновесии в течение сотен миллионов лет. Но всегда есть какое-нибудь «но». Стоит только одной из этих сил слегка измениться, как Земля выходит из состояния равновесия, достигая переломного момента, последствия которого невозможно предугадать – происходят стремительные перемены, которые могут разрушить приповерхностную среду.
Что впоследствии и случилось.
Глава 9
Белая Земля
Цикл Земля – снежный шар – Земля-парник
Возраст Земли: от 3,7 до 4,0 млрд лет
Протерозойский эон, промежуток, равный почти половине истории Земли – от 2,5 млрд до 542 млн лет назад, стал длительным периодом резких контрастов. Весьма интересны первые 500 млн лет, на которые пришелся расцвет фотосинтезирующих водорослей, когда происходило последовательное нарастание кислорода в атмосфере, накопление толщ железистых кварцитов в богатых железом океанах и появление эукариотных организмов, у которых ДНК сосредоточивалась в ядре клеток, ставших предшественниками всех растений и животных.
На середину протерозойской эпохи пришелся так называемый «скучный» миллиард – самый трудолюбивый и самый зловонный период. В противоположность ему последние 300 млн лет были, пожалуй, наиболее динамичными за всю эпоху, когда собирались и раскалывались континенты, резко менялся климат, происходили колоссальные сдвиги в химическом составе океанской воды и атмосферы, а также появились животные.
Надеюсь, я достаточно отчетливо выразил свою позицию: все системы на Земле взаимосвязаны самым сложным образом. Воздух, вода и почва представляются нам отдельными средами, которые меняются по-разному и в разное время. Погода меняется ежедневно; океаны меняются тысячелетиями; цикл горообразования продолжается миллионы лет; требуются сотни миллионов лет на сборку и раскалывание суперконтинентов. И все же каждая из земных систем воздействует на все остальные как очевидным, так и неявным образом.
Нашу планету можно метафорически уподобить дому, и эта метафора столь же полезна, сколь несовершенна. Покупая дом, мы стремимся узнать о нем как можно больше: когда он построен, когда и каким перестройкам подвергался и что к нему пристроили. Нам хочется подробнее выяснить, характер строительных материалов и устройство дома, от фундамента до крыши. Нам необходимо проверить водопровод и источники воды, а также вентиляционно-отопительную систему – обогреватели, кондиционеры и источники энергии для них. Предусмотрительный покупатель дома не забудет поинтересоваться потенциальным риском и ущербом от пожара и угарного газа, термитов и древесных жучков, радона и асбеста, протечек и плесени. Так и геологи изучают происхождение Земли, ее основные превращения, природу горных пород и минералов, движение воды и воздуха, источники энергии и геологические опасности.