Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед

Магдугалл Дж. Д.

Но вернемся к протерозойским породам Северной Канады. Хоффман обнаружил, что исследуемый им регион в начале протерозоя представлял собой край континента и являлся источником материала для образования морских осадков, богатых кварцем (рис. 4.2). Кварцевый песок является хорошим признаком существования где-то рядом древнего континента: при выветривании гранита — типичной породы континентальной коры — освобождается масса зерен кварца. Большая часть других минералов гранита либо растворяется, либо превращается во что-то другое, например, в глину. Белые пески тропических островов (большая часть которых представляет собой окаймленные кораллами вулканы, которые отличаются по составу от песков континентов) могут показаться похожими на пески пляжей Калифорнии или Испании, но они состоят не из зерен кварца, а из кусочков кораллов. Богатые кварцем протерозойские песчаники, закартированные Хоффманом, показывают, что источник континентальных осадков находился восточнее, а океан располагался западнее, по крайней мере с точки зрения современной географии. Ориентировка континентов относительно стран света в протерозое могла быть совершенно иной, чем сейчас. Но на самом верху осадочного разреза — следовательно, в более позднее время — появляются слои других осадков, содержащие материал вулканического происхождения. В отличие от кварцевых песков источник материала для

вулканических (точнее, вулканогенных) осадков располагался западнее, со стороны моря. Как это могло быть? До появления в науке теории тектоники плит подобные загадки разрешались с помощью предположения, что где-то в море должен был существовать «исчезнувший» материк. Сейчас мы понимаем, что далее в сторону моря от континентального края действительно была суша, но на основании современного знания мы можем предположить, что источником вулканогенных осадков могла быть, вероятно, группа вулканов, весьма похожих на вулканы Алеутских или Марианских островов, которая в результате движения плиты приблизилась к древнему континенту и в конце концов столкнулась с ним. В наше время на Северо-западных территориях отсутствует какой-либо эквивалент протерозойского океана — западный край Северо-Американского континента находится более чем за тысячу километров. Этот пример никоим образом не является уникальным. Столкновения между материковыми массами, при которых образуется скрепляющий их шов в виде горной цепи, а иногда и обратный процесс раскола континента

и отделения его частей привели к современной конфигурации границ суши и моря. Северная Америка, один из крупнейших континентов, является типичным примером; во многих отношениях он напоминает лоскутное одеяло, собранное из обломков совершенно разного происхождения.

Нарисованная выше картина происхождения пород Северо-западных территорий Канады — первые песчаники, образовавшиеся из песков, отложившихся вдоль окраины континента из расположенного восточнее источника, затем вулканические осадки с запада — является очень упрощенной. В действительности эти породы были метаморфизованы, смяты в складки и рассечены многочисленными разломами. Все это чрезвычайно затруднило реконструкцию их первоначального расположения. Складкообразование, разломы и смещение пород вдоль них, да и метаморфизм — все это почти несомненно было следствием движения континентальных и вулканических блоков, которое сопровождалось эпизодом горообразования. Эта территория во всех своих геологических аспектах — тип складчатости, полосы метаморфических пород, протягивающиеся параллельно древним береговым линиям, типы и последовательности (серии) пород — напоминает современные области столкновения тектонических плит и горообразования. Но, как уже отмечалось выше, в наше время на этой территории Канады горные цепи отсутствуют, сейчас это почти плоская страна с сильно сглаженным рельефом. И опять нам напомнили, что по шкале геологического времени Земля — очень динамичное место.

В горных районах эрозия сносит от 1 до 1,5 метра разрушенного материала горных пород каждые тысячу лет. При такой скорости даже Эверест оказался бы смытым до уровня моря за 5-8 миллионов лет. Но, однако, дело обстоит не так просто, поскольку, по мере того как гора размывается эрозией, ее склоны становятся более пологими и вследствие этого скорость эрозии уменьшается. Частью по этой причине гора Эверест и остальные Гималаи будут еще существовать (хотя и станут более пологими) гораздо дольше, чем следует из современной средней скорости эрозии. Но еще большее значение имеет тот факт, что горы немного похожи на корабли, плавающие в океане: если убрать часть груза, корабль несколько всплывет над уровнем моря. Точно так же, по мере того как горные породы разрушаются и их материал уносится эрозией, земная кора чуть-чуть «всплывает» из лежащей ниже мантии. Если эрозия уносит один метр породы, то ответом Земли на уменьшившийся вес коры будет ее поднятие, таким образом, фактическое уменьшение высоты коры составит всего около 20 сантиметров. По этой причине для того, чтобы типичная большая горная страна была смыта до уровня моря, потребовалось бы, вероятно, от 50 до 60 миллионов лет, хотя это и не особенно долгий срок в масштабах геологического времени. Скалистые горы, Альпы или Гималаи — все они в конце концов исчезнут, но все они оставят память о себе и об истории своего образования и разрушения в толщах сохранившихся пород.

Событие, в результате которого возник ныне исчезнувший горный хребет в Северо-западных территориях Канады, произошло около 1,9 миллиарда лет назад. Но это было лишь одно из многих таких столкновений плит. Уже 1,6 миллиарда лет назад, почти в середине протерозойской эры, большая часть плиты, составляющей сейчас Северную Америку, была собрана из более мелких фрагментов в сверхконтинент, который геологи, изучавшие эти породы, назвали Лаврентия. Пол Хоффман написал работу об этом процессе и озаглавил ее «Соединенные плиты Америки». Этот среднепротерозойский сверхконтинент включал также Гренландию, северную часть Британских островов, а также куски Скандинавии и северной России.

В других частях мира происходили сходные события. Большинство современных континентов содержит мелкие фрагменты архейской коры, спаянные с другими архейскими и протерозойскими фрагментами в зонах столкновения плит. Вполне возможно, хотя пока и не доказано, что практически все современные континенты в конце протерозоя соединялись между собой, образуя один поистине гигантский континент. Часть данных о нем связана с поясом метаморфических пород, который протягивается вдоль восточной части Северной Америки от полуострова Лабрадор до Мексиканского залива. Возраст этих пород колеблется между 1,2 и 1,0 миллиардом лет. В совокупности их называют провинцией Грэнвиль (рис. 4.3). Они выходят на поверхность в восточной Канаде и в Аднрондакских горах штата Нью-Йорк, но присутствуют также под покровом осадочных пород на протяжении большей части Восточных Штатов. Породы провинции Грэнвиль являются памятником мощного столкновения между двумя крупными континентами, из которых нынешняя Северная Америка располагалась на западе, а то, что сейчас составляет Южную Америку, — которая сама была соединена с большинством других континентов, — на востоке. Этот брак между Северо-Американским континентом и другим большим континентом длился несколько сот миллионов лет, пока они снова не начали отходить друг от друга около 800 миллионов (0,8 миллиарда) лет назад — все еще в протерозое. Их раздвиг оставил полосу Грэнвильских пород вдоль восточного края Северной Америки. Как мы увидим в главе 8, еще одна полоса континентальной плиты присоединилась к Северной Америке даже еще позднее, в результате процесса, весьма похожего на тот, который образовал провинцию Грэнвиль. Эта полоса называется сейчас Аппалачскими горами. Все эти различные фрагменты коры, которые сейчас составляют Северо-Американский континент, показаны в виде карты на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Обобщенная возрастная карта

Северной Америки, составленная на основе многих сотен конкретных определений абсолютного возраста пород, показывает, что континент состоит из нескольких крупных кусков коры и в общем смысле становится все моложе изнутри наружу. Как провинция Грэнвиль, так и Аппалачская провинция хранят в своем геологическом строении эпизоды горообразования гималайского типа, когда крупные континенты, располагавшиеся восточнее, столкнулись с Северной Америкой, чтобы снова отколоться в более позднее время. Большая часть материала, добавленного во время этих столкновений, сохранилась в виде осадочных пород, фрагментов вулканических островных дуг или частей морского дна, которые изначально разделяли сближавшиеся континенты, хотя отдельные части сталкивающихся материков иногда сохранялись после того, как эти материки позднее разделились. Рис. 8.2 показывает, как этот процесс мог действовать при формировании Аппалачских гор. Темно-серого цвета структура в форме конского копыта, простирающаяся через большую часть Озера Верхнего, — это несостоявшийся протерозойский рифт, который обсуждается в тексте.

Отметим, что собирающийся из кусков Северо-Американский континент так и не пережил протерозойскую эру нетронутым. На рис. 4.3 виден большой шрам континентальной коры в форме конского копыта, протянувшийся дугой через район Великих Озер с двумя ветвями, или руками, направленными на юг, в центр континента. Это рифт, след незавершенного разделения континентов, случившегося между 1,3 и 1,2 миллиарда лет назад. Хотя этот рифт сейчас заполнен более молодыми породами, он четко определяется по типам пород, которые встречаются в нем. Это базальты — характерная особенность тех мест, где кора разрывается и расходится в стороны, и осадки характерного состава, заполняющие рифтовые долины. В некоторых местах, например вокруг озера Верхнего, эти породы выходят на поверхность, в других местах они погребены и отмечаются в керне буровых скважин. Кроме того, поскольку базальтовые породы рифта имеют высокую плотность и высокое содержание железа, их наличие сильно отражается на характере как гравитационного, так и магнитного полей. Поэтому местоположение и границы рифта можно определить по результатам геофизических работ, проведенных на поверхности, — даже в тех местах, которые целиком закрыты позднейшими осадками. Как же мог образоваться этот огромный рифт, протянувшийся почти на 2000 километров в длину и местами более чем на 100 километров в ширину и содержащий огромные объемы базальтовых лав? Почти несомненно, он возник в результате воздействия столба горячего вещества, внедрившегося из мантии и пронзившего континентальную кору Северо-Американского континента. В наше время такие столбы горячего вещества мантии, поднимающиеся со дна океанов, являются причиной мощного вулканизма Гавайских островов и Исландии. Более подробно о них рассказывается в следующей главе. Однако Северная Америка оказалась слишком пластичной, чтобы расколоться под воздействием даже столба раскаленных пород, поднявшегося из мантии, и даже оставшись со шрамом, она все же избежала раскола на части.

ПРОТЕРОЗОЙСКОЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЦАРСТВО

Насколько нам вообще известно, в течение большей части протерозойской эры на фоне образования континентов, их столкновения и раскола на части в биосфере — этом царстве живых существ — произошло удивительно мало изменений. Даже в начале кембрийского периода континент отнюдь не были раем для развития жизни. Хотя уже существовали морские водоросли, а на континентах, возможно, жили даже некоторые примитивные многоклеточные организмы, поверхность суши была почти совсем пустынной и бесплодной по сравнению с нашим временем.

В предыдущей главе мы узнали, что уже в архее существовали одноклеточные организмы, от которых сохранились редкие остатки. По-видимому, это были бактерии и цианофиты (известные также как сине-зеленые водоросли) — клетки, не имеющие ни ядра, ни других важных внутриклеточных структур, свойственных более развитым формам жизни. Их называют прокариотами. Строматолиты состояли из прокариот; мы уже отметили выше,

что они являются, по-видимому, самыми характерными ископаемыми остатками протерозоя. Вплоть до середины протерозойской эры прокариоты были, пожалуй, единственными обитателями морей. Но затем случилось нечто удивительное. В настоящее время все согласны с тем, что следующий шаг к развитию сложных организмов, а именно эукариотовых клеток, или эукариотов, имеющих различные внутриклеточные структуры, произошел в момент, когда прокариотная клетка поглотила другую с намерением, как полагают, съесть ее. Но поглощенная клетка вопреки ожиданиям не поддалась и продолжала жить внутри поглотившей ее в счастливом симбиозе, постепенно изменяясь и приспосабливаясь к такому существованию. Хорошим примером такой внутриклеточной структуры является хлоропласт — структура, существующая в некоторых отдельно живущих эукариотных клетках и в клетках развитых растений, в которых уже осуществляется фотосинтез. Хлоропласты в высшей степени напоминают слегка изменившиеся цианобактерии, или одноклеточные сине-зеленые водоросли. Клетки, имеющие внутреннюю структуру и почти наверняка являющиеся эукариотами, впервые появились в ископаемой летописи около 1,4 миллиарда лет назад.

Удивительно, что даже после появления эукариотных клеток не произошло немедленного взрывного развития многоклеточных животных. На это потребовалось много сотен миллионов лет — гораздо больше, чем прошло от появления на Земле динозавров до наших дней. Несколько ископаемых организмов, являющихся, по-видимому, многоклеточными водорослями, обнаружены в породах возрастом в 1,3 миллиарда лет, но в породах старше 1 миллиарда лет никаких следов многоклеточных животных не найдено. И даже после этого времени дальнейшее развитие было чрезвычайно медленным вплоть до «Кембрийского взрыва», описанного в одной из последующих глав. Почему же для развития на Земле сложных форм жизни потребовалось так много времени? Этот вопрос ставил в тупик даже Дарвина, хотя он не осознавал, насколько в действительности огромен был промежуток времени до кембрия. Он продолжает озадачивать ученых, которые изучают развитие жизни на Земле. Конечно, частично ответить на этот вопрос можно, если вспомнить неполноту ископаемых остатков для докембрийского времени. В то время организмы еще не развили твердых минерализованных частей тела — вроде зубов, щитков, скелетов, которые защищают организм от хищников и довольно хорошо сохраняются в породах. Во всех известных случаях докембрийские организмы не имели твердых частей. В сущности, до самых 1950-х годов палеонтологами не было открыто ни одного неоспоримого доказательства существования жизни в докембрийское время, несмотря на все их энергичные попытки. У нас, возможно, все еще отсутствуют данные о некоторых решающих моментах эволюции более развитых организмов. Но даже если это и так, развитие жизни в самый ее начальный период, несомненно, представляло собой очень медленный процесс, по сравнению с последующими темпами эволюции. Причина этого пока неизвестна, что добавляет эту загадку к числу многих тайн, делающих изучение истории Земли таким увлекательным делом.