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

Магдугалл Дж. Д.

Как следует из названия этого минерала, зерна циркона богаты элементом цирконием. К счастью, в них также содержатся значительные количества урана, и как мы уже видели, в результате радиоактивного распада урана образуются изотопы свинца, содержание которых молено измерить, и по этим данным определить возраст зерен. Современные методы измерений столь чувствительны, что даже того ничтожного количества свинца, которое содержится в единственном мельчайшем зерне циркона, оказывается достаточно для точного определения содержания урана и изотопов свинца и тем самым — возраста зерна. Таким вот образом были датированы зерна циркона, извлеченные из австралийского песчаника.

Поскольку эти древние цирконы являются единичными зернами, а не фрагментами породы, трудно судить о тех типах горных пород, из которых эти зерна были удалены эрозией. Однако циркон является обычным компонентом многих континентальных пород — например, гранита — но практически отсутствует в таких повсеместно распространенных породах, как базальты океанского дна. Отсюда следует, что эти зерна происходят из континентальных

пород. Если это действительно так, то существование континентов отодвигается назад во времени до почти 4,3 миллиарда лет — то есть всего несколько сот миллионов после образования Земли. Но эти первоначальные участки земной коры должны были значительно отличаться от тех континентов, которые мы знаем сегодня, и, конечно же, они должны были иметь гораздо меньшие размеры.

Даже если земная кора начала формироваться очень рано, существует несколько возможных причин, почему ничего не сохранилось от первых приблизительно 600 миллионов лет существования нашей планеты. Одна из них заключается в том, что на протяжении большей части этого периода Земля подвергалась мощной бомбардировке из космического пространства, пока она собирала своей силой тяжести остаточное вещество, уцелевшее после образования первоначального тела Земли. Второй причиной было то обстоятельство, что, как мы уже отметили, первоначальная Земля была очень горячей. Мощные конвекционные потоки, существовавшие в горячей Земле, просто уничтожили бы большую часть первоначальной коры. Хотя значительная часть этого тепла была следствием самого процесса разрастания Земли за счет бомбардировки падавшими на нее обломками, часть его поступала также из глубины Земли, будучи следствием важнейшего события ранней истории планеты — образования коры.

По мере разогревания образующейся планеты металлическое ядро, содержащееся внутри нее, начало плавиться, в нем стали возникать поначалу небольшие залежи расплавленного железа, в конце концов достигшие значительных размеров. Будучи гораздо более плотными, чем окружающее их вещество, они погружались внутрь Земли. Этому процессу способствовало то обстоятельство, что окружающие эти залежи минералы, хотя и не были в расплавленном состоянии, имели все же высокую температуру и могли пластически течь. По различным оценкам сфера километрового радиуса, состоявшая из расплавленного железа, мигрировавшего к центру юной Земли, могла образоваться менее чем за миллион лет. Этот процесс расплавления, собирания в залежи и погружения железа, который вел к образованию металлического ядра Земли, произошел на очень ранней стадии, — вероятно, во время или немного после главной фазы аккреции — разрастания Земли из слипающихся обломков, захваченных исходным скоплением благодаря силе тяжести. Это значит, что в течение первых, самое большее, нескольких десятков миллионов лет существования Земля представляла собой уже химически дифференцированную планету, состоящую из металлов в центре и неметаллических горных пород во внешней части. Эту главную химическую перестройку планеты из первоначально более однородного состояния называют иногда железной катастрофой, поскольку некоторые анализы указывают на то, что это был очень быстрый, почти взрывной процесс, сопровождавшийся освобождением большого количества энергии, может быть, достаточного даже для расплавления всей Земли. В одном опубликованном описании этого события было высказано предположение, что большая часть того металла, который сейчас составляет ядро планеты, сосредоточилась на ее поверхности, образовав кольцо или оболочку расплавленного материала вокруг более холодной центральной части новообразованной Земли. По мере того как гигантские «капли» расплавленного металла из этой оболочки начали опускаться, просачиваясь к центру планеты, изменение распределения масс внутри вращающейся планеты вызвало в ней появление мощных напряжений, которые раскалывали все еще твердые внутренние части и перемешивали их с расплавленным железом. Является ли это описание точной картиной происходившего тогда процесса, неизвестно. Но независимо от способа, с помощью которого железо и другие металлы проложили себе путь к центру Земли, этот процесс сопровождался освобождением огромной энергии, что привело к еще большему нагреванию Земли.

Таким образом, в эти первые дни истории развитие Земли протекало весьма хаотичным образом, с широким проявлением вулканизма и, может быть, появлением моря из расплавленных пород на ее поверхности. Первоначально на Земле не было никакой атмосферы. Однако такие химические соединения, как вода и углекислота, а также различные летучие элементы были принесены на Землю в химически связанном виде падающим на нее материалом и постепенно выделялись в горячих глубинах Земли в виде вулканических газов, образуя первоначальную атмосферу. До завершения процесса образования Земли путем накопления падающего вещества на ее поверхность непрерывно низвергался град больших и малых обломков. Даже через несколько сот миллионов лет после образования планеты поверхность ее для путешественников из будущего показалась бы очень незнакомой и негостеприимной. К этому времени на ней уже была, вероятно, жидкая вода, но не было никаких видимых признаков жизни — ни растений, ни животных, а атмосфера была непригодной для дыхания, поскольку в ней отсутствовал кислород. Не было и крупных материков, подобных нынешним, и хотя было много вулканов, горные цепи вроде Скалистых гор или Альп еще не существовали.

Не исключено, что в этот ранний период своей истории Земля периодически подвергалась сильным оледенениям, и тогда большую часть ее поверхности покрывали замерзшие моря.

Такая возможность вытекает из того факта, что Солнце, если оно следовало нормальному пути эволюции звезд его размера, было в первую половину своей жизни значительно менее горячим и его энергетический поток был гораздо слабее, чем сегодня. Несмотря на энергию, выделяющуюся от вулканов и столкновений с метеоритами, в конечном итоге именно поток энергии, излучаемой Солнцем, определяет температуру земной поверхности. После этапа первоначального нагрева, который, вероятно, продолжался несколько сот миллионов лет, поверхность Земли должна была остыть, причем — в силу слабости энергетического потока, идущего от Солнца, — температура земной поверхности могла оказаться достаточно низкой, чтобы существовавшие тогда океаны замерзли. Некоторые ученые даже отмечают, что как только наша Земля оказалась покрытой слоем снега и льда, которые хорошо отражают обратно в космос падающую на них энергию, ее могло отражаться столько, что покров льда и снега на Земле мог и не оттаивать вовсе, даже при более горячем солнце. Этот аргумент, а также тот факт, что на сегодняшней Земле на большей части ее поверхности тепло и уютно, используется для доказательства того, что подобного древнего глубокого оледенения никогда не было. Однако существуют и другие способы расплавить лед, как мы увидим в следующей главе.

АРХЕЙСКАЯ ЭРА

Первым крупным подразделением геологического времени является архейская эра (рис. 1.1). Этот очень длинный отрезок времени от момента образования Земли до приблизительно 2,5 миллиарда лет назад занимает около 44 процентов всей истории нашей планеты. Конечно, геологическая временная шкала является всего лишь конструкцией ученых, и в течение архея, вероятно, произошло много событий, которые — будь они нам известны — могли бы дать основание для дальнейших подразделений. Но несмотря на ее длительность, мы знаем очень мало об архейской истории. Отчасти это связано с тем, что лишь малая часть современной поверхности Земли сложена породами архейского возраста. Мы уже видели, что не сохранилось никаких пород, относящихся к первым 600 миллионам лет архея.

Хотя (а может быть, и потому, что) архейские породы встречаются редко, они стали предметом интенсивного изучения. Мы знаем, например, что они встречаются, хотя и в небольших количествах, на всех крупных континентах. Иногда они располагаются около центра континента и всегда окружены более молодыми породами. Такая конфигурация дает ключ к пониманию того, как росли континенты. Имеются данные абсолютного возраста пород, показывающие, что в течение архея происходило эпизодическое разрастание континентов, но это только предварительный вывод, поскольку сами архейские породы занимают малую часть континентов и их сохранность, возможно, носит избирательный характер. В архейских осадках были обнаружены и первые ископаемые остатки древних одноклеточных бактерий. В последние годы тщательные исследования показали, что они встречаются гораздо чаще, чем когда-то думали, но все же они по-прежнему весьма редки. Тем не менее, они показывают, что к середине архея жизнь уже вполне установилась.

На основании изучения австралийских цирконов мы узнали, что уже 4,2-4,3 миллиарда лет назад существовали небольшие материки. На протяжении всего геологического времени, начиная с архея и до сегодняшнего времени, континентальная кора образовывалась в результате расплавления пород в глубинах Земли и переноса расплавленного материала на ее поверхность. Однако даже в наше время континентальная часть земной коры составляет очень малую долю Земли как целого, как это видно из рис. 1.2, и ее химический состав очень резко отличается от состава остальных частей планеты. Некоторые другие планеты Солнечной системы тоже имеют кору, но материки, какими мы их знаем, по-видимому, являются уникальной особенностью Земли. Из этого следует, что вряд ли можно ожидать наличия на других планетах большого количества (или вообще наличия) тех разнообразных месторождений полезных ископаемых, которые встречаются на континентах Земли и снабжают нас большей частью тех материалов, которые необходимы для современной цивилизации. Почему же материки не могут существовать на других планетах? Ответ, вероятно, связан с наличием на Земле жидкой воды.

Подобно соли, добавленной в лед, вода, входящая в состав горных пород, понижает температуру их плавления. Она также влияет и на состав магмы, возникающей при расплавлении пород. На Земле движение слагающих кору тектонических плит обусловливает поступление воды в горячие глубины Земли, вызывая расплавление горных пород. Богатая водой океаническая кора затягивается в мантию вдоль длинных океанических рвов; с погружением, по мере увеличения температуры, эта вода вытесняется из пород. В результате этого процесса возникло так называемое Огненное кольцо, протянувшееся вокруг Тихого океана: все вулканы западного побережья Соединенных Штатов (штат Вашингтон), Чили, Аляски и Японии, а также Камчатки сосредоточены в тех регионах, где плиты дна Тихого океана, сталкиваясь с плитами окружающих континентов, ныряют под них, погружаясь внутрь Земли и обусловливая этим освобождение воды и плавление пород. Возникающие при этом расплавы имеют меньшую плотность, чем окружающие их породы, вследствие чего они поднимаются к поверхности, прибавляя к материкам новый материал из глубин Земли. Хотя геологи ведут споры относительно времени, когда начался процесс формирования и движения тектонических плит, наличие признаков существования архейской континентальной коры указывает на то, что уже очень рано в истории Земли вода поступала с поверхности в глубины планеты и процесс этот, по-видимому, не слишком отличается от того, как это происходит сегодня.