Зачем нужна геология. Краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Макдугалл Дуг

С момента своего образования Земля постепенно остывает – в основном за счет внутренней конвекции, когда горячая материя мантии двигается к поверхности, а более холодный опускается в глубину. Численные модели показывают, что основное различие между тектоникой неподвижной покрышки и тектоникой «мобильной покрышки» (то есть тектоникой плит) связано с тем, как происходит обмен между горячей внутренностью планеты и более холодной литосферой. При современном режиме тектоники плит горячая вулканическая магма извергается в центральной части океанов и на границах плит, образуя новую кору, в то время как более холодные материалы ныряют обратно в мантию в зонах субдукции. Напротив, при режиме неподвижной покрышки на древней Земле этот обмен имел совершенно другую форму. Ученые назвали это процессом «стекания и подъема»: плотные породы из нижней части литосферы «стекали» в мантию, в то время как расплав (магма) от восходящих потоков в мантии поднимался и формировал новую твердую кору и литосферу посредством проникновения и магматической деятельности.

Сценарий «стекания и подъема», конечно же, никто не наблюдал непосредственно, однако численные модели показывают, что он должен был доминировать на ранних

этапах истории планеты. Высокие температуры мантии тех времен означали, что субдукция – в том виде, как мы ее сейчас знаем – происходить не могла; литосфера, более горячая и менее жесткая по сравнению с современным состоянием, не была достаточно прочной, чтобы погружаться в мантию в неповрежденном виде. Если бы литосферная плита начала погружаться внутрь Земли, она бы просто разрушилась. Только после того, как Земля потеряла тепло, а мантия остыла, стал возможен переход от тектоники неподвижных покрышек к тектонике плит. Этот переход шел постепенно и длился, возможно, сотни миллионов лет; вполне вероятно, что на краях первых сформировавшихся континентов происходила какая-то локальная мелкомасштабная субдукция – еще до возникновения современной глобальной системы тектоники плит.

Более подробную информацию об этих исследованиях можно найти в двух недавних обзорных статьях Палина и др., Брауна, Джонсона и Гардинера (см. библиографию в конце книги).

Вторая область, где за последнее десятилетие достигнут существенный прогресс, касается влияния на нашу планету внеземных объектов. Этой теме посвящена Глава 3, в которой рассказывается о некоторых хорошо известных столкновениях, зафиксированных в геологической летописи, а также об усилиях по обнаружению околоземных объектов, которые потенциально в будущем могут столкнуться с Землей.

Ударное кратерообразование – основной процесс, формирующий ландшафт наших твердых соседей по Солнечной системе – Луны, Меркурия, Венеры и Марса. Космические тела барабанили и по Земле, однако на нашей динамичной планете эрозия, накопление осадков и тектоническая деятельность стерли или скрыли многие кратеры, появлявшиеся в течение миллионов и миллиардов лет. Однако 15 февраля 2013 года мы получили недвусмысленное напоминание о том, какой вред могут нанести планете космические гости: в атмосферу недалеко от Челябинска (Россия) влетел относительно небольшой астероид (примерно 20 метров в диаметре). Он разрушился на высоте примерно 30 километров: ударная волна разбила окна, слегка повредила сооружения и сбила находившихся на улице с ног. Кратковременная, но яркая вспышка оставила легкие «солнечные ожоги» на лицах некоторых очевидцев. Неудивительно, что в последние годы люди стали активнее искать околоземные объекты, которые представляют потенциальную опасность для нашей планеты, а также разрабатывать методы предотвращения таких столкновений.

Одним из наиболее впечатляющих достижений в сфере исследований ударного кратерообразования стал совместный проект Международной программы по исследованию океанов и Международной программы континентального научного бурения: в апреле и мае 2016 года ученые провели бурение в ударном кратере Чикшулуб в Мексике. Как рассказывается в Главе 3, этот кратер диаметров в двести километров образовался примерно 66 миллионов лет назад, и эту катастрофу связывают с массовым вымиранием [2] , знаменующим границу между меловым и палеогеновым периодами на геологической шкале (одновременно это граница между мезозойской и кайнозойской эрами; рисунок 1). Хотя в то время вымерли многие виды, больше всего известно исчезновение с лица Земли динозавров.

2

Альтернативным объяснением массовых вымираний являются очень крупные магматические события на Земле. 68–65 млн лет назад сформировалось огромное вулканическое плато Декан (Северная Индия) площадью около 1,5 млн км². Дискуссия между сторонниками вулканической или метеоритной причины массовых вымираний пока далека от завершения. – Прим. науч. ред.

По кернам, извлеченным во время бурения, ученые смогли с потрясающей детализацией реконструировать события первых минут и часов после удара. Одна из статей, описывающих эти наблюдения, называется «Первый день кайнозойской эры» (см. библиографию в конце книги).

Уникальная характеристика кратера Чикшулуб – находящееся внутри него приподнятое кольцо из каменистого материала, которое расположено концентрично с краем кратера. Такой объект называют «пиковым кольцом», и Чикшулуб – единственное место на Земле, где обнаружено подобное кольцо – хотя такие формации нередко встречаются внутри крупных кратеров на Луне, Марсе, Венере и Меркурии. Ученые пробурили пиковое кольцо непосредственно, и взятые образцы позволили выяснить, как оно образовалось. Во время удара уровень океана был намного выше современного, и место столкновения с астероидом полностью находилось под водой [3] . Врезавшееся тело мгновенно испарило морскую воду; оно также испарило, расплавило и выбросило вверх нижележащие слои осадочных горных пород, а с ними и подстилающие породы фундамента (в основном гранит). В результате образовался кратер. В течение нескольких секунд и минут после удара огромный объем встряхнутых и сильно раздробленных подстилающих пород образовал центральное поднятие (точно такое же поднятие в центре вы могли видеть при покадровой съемке падения капли дождя на поверхность воды), а затем эта масса рухнула обратно в кратер и образовала пиковое кольцо вокруг центра. Почти одновременно с этим в течение следующих минут толстым слоем по дну кратера стали разливаться расплавленные ударом породы. Образцы кернов показывают, что и пиковое кольцо они накрыли слоем примерно 25-метровой толщины. Над этими расплавленными породами находится еще более толстый слой из беспорядочных обломков и частиц расплавленной и нерасплавленной породы, которая называется суевит; некоторые из этих фрагментов оказались здесь в течение первых

хаотических десятков минут после удара, а остальные – в те часы, когда море снова хлынуло в кратер, неся обломки с собой. Мощные волны цунами, порожденные ударом, отразились от близлежащих массивов суши и вернулись к кратеру, принеся еще больше обломков, часть которых были захвачены на этих массивах. В тот первый день кайнозойской эры образовался слой суевита толщиной более ста метров. В его верхней части обнаруживаются куски угля и органические соединения, порожденные сгоревшими наземными растениями: это прямое доказательство того, что удар астероида привел к лесным пожарам. Эти и другие данные, полученные при изучении взятых в Чикшулубе кернов, подтверждают и даже обнаруживают еще более кошмарные последствия столкновений по сравнению с известными из более ранних исследований. Они подчеркивают, что нам нужно со всей серьезностью отнестись к той угрозе, что несут человечеству околоземные объекты, которые потенциально могут столкнуться с нашей планетой.

3

Сейчас кратер Чикшулуб расположен наполовину в море, наполовину на полуострове Юкатан в Мексике. – Прим. пер.

Как обсуждается в главе 3, реальная возможность столкновений крупных внеземных объектов с Землей привела к созданию разнообразных международных программ по отслеживанию этих объектов и взятию образцов вещества с некоторых из них. На момент написания этих строк в октябре 2021 года ученые идентифицировали свыше 27 тысяч околоземных объектов, и каждую неделю их количество увеличивается. Только в 2020 году было обнаружено более 2200 новых астероидов, приближающихся к нашей планете. По оценкам, сегодня обнаружено свыше 90 % околоземных объектов размером свыше километра, и теперь внимание ученых сосредоточено на более мелких астероидах размером более 140 метров. Для каждого открытого объекта по возможности вычисляется орбита, после чего можно оценить вероятность его столкновения с Землей. У некоторых астероидов ученые исследовали спектральные характеристики, получив информацию об их химическом и минералогическом составе. Это не только дает ключ к пониманию их происхождения, но имеет и практическое значение: если некий объект будет признан угрозой, то знание его физических и химических свойств окажется крайне важным для разработки методов его отражения.

Еще лучше взять образцы вещества напрямую. Как описывается в главе 3, японский космический аппарат «Хаябуса» опустился ненадолго на астероид Итокава и вернулся на Землю в 2010 году с небольшим количеством материала, взятого с его поверхности. После этого аппарат «Хаябуса-2» посетил еще один околоземный астероид, Рюгу, и собрал вещество с его поверхности; в декабре 2020 года эти образцы попали на Землю. Также в 2020 году американская межпланетная станция OSIRIS-REx села на астероид Бенну и взяла пробы вещества; по новым оценкам, его количество существенно больше, чем обнаруживалось предыдущими экспедициями [4] . Сейчас станция летит на Землю; прибытие запланировано на сентябрь 2023 года. Эти миссии стали удивительным достижением инженерной мысли, а собранные образцы вещества астероидов должны помочь нам узнать больше о природе околоземных объектов.

4

Бенну выбран как раз потому, что теоретически представляет угрозу для нашей планеты (вероятность его столкновения с Землей в 22 веке оценивается в 1/4000). – Прим. пер.

Одним из самых ожидаемых полетов к околоземным астероидам является путешествие американского аппарата DART (название – аббревиатура слов Double Asteroid Redirection Test, то есть испытания перенаправления двойного астероида) к двойному астероиду Дидим. Цель этой миссии – выяснить, может ли столкновение космического аппарата с астероидом помешать встрече космического тела с нашей планетой.

Астероид Дидим – на самом деле пара объектов, двигающихся по одной орбите: более крупный имеет в диаметре три четверти километра, а его спутник Диморф – около 160 метров. DART, запуск которого запланирован на ноябрь 2021 года, должен достичь этой пары в сентябре 2022 года [5] . План состоит в том, чтобы врезаться космическим аппаратом в Диморф на высокой скорости (6,6 километра в секунду), а потом пронаблюдать за изменением его орбиты вокруг более крупного компонента с помощью наземных телескопов. Согласно прогнозу, отклонение будет небольшим, но заметным. В случае успеха попадание в такую крохотную цель на расстоянии 11 миллионов километров от Земли станет еще одним выдающимся достижением человеческой техники. Это также окажется первым шагом на пути к защите человечества от разрушительного удара, подобного тому, который создал кратер Чикшулуб и вызвал вымирание примерно половины всех видов, живших тогда на земле.

5

Запущенный 24 ноября 2021 года, аппарат должен столкнуться с Диморфом в конце сентября-начале октября 2022 года. – Прим. пер.

Удары внеземных объектов – не единственное явление, связанное с массовыми вымираниями. В главе 10 рассказывается, что с вымираниями совпадали извержения в так называемых крупных магматических провинциях (КМП). Во всех случаях предполагаемая причина вымирания – выброс в атмосферу огромного количества парниковых газов от лавы; это вызывает повышение температуры, увеличение кислотности океана, снижение содержания кислорода в морской воде и, возможно, иные последствия для среды. Проблема здесь в том, что примерное совпадение по времени извержений КМП и массового вымирания еще не доказывает причинно-следственную связь между ними. Более того, массовые исчезновения видов происходят резко и быстро по геологическим меркам, в то время как извержения КМП могут происходить гораздо большее время и включать отдельные интервалы вулканической активности, перемежаемые относительно долгими (тысячи лет) периодами покоя.