Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Этот космический мусор предположительно включал не только каменные и металлические метеориты, но и ледяные кометы, прилетавшие из-за пределов орбиты Нептуна и доставлявшие на новорожденную Землю драгоценную воду, собственные запасы которой на нашей планете, учитывая ее близость к Солнцу, были довольно ограничены. В любом случае, как свидетельствуют цирконы из Джек-Хиллс, через 100 млн лет существования Земли на ее поверхности или по крайней мере в приповерхностной коре уже имелось некоторое количество воды — зачатки будущих океанов, которые впоследствии станут одной из главных уникальных особенностей нашей планеты. Установлено, что интенсивная бомбардировка Луны закончилась примерно 3,8 млрд лет назад, когда были образованы знаменитые лунные моря — в действительности гигантские кратеры, открытые Галилеем. А поскольку в гадейском эоне Луна была даже ближе к Земле, чем сегодня, разумно предположить, что в первые 700 млн лет своей жизни наша планета подвергалась такому же космическому обстрелу. И более того, вполне может быть, что это массированное воздействие привело к потере нескольких ранних атмосфер и океанов [60] Marchis, S., et al., 2016. Widespread mixing and burial of Earth's Hadean crustby asteroid impacts. Nature , 511, 578–582. doi:10.1038/nature13539 .

Таким образом, самые ранние систематические записи в летописи Земли совпадают с последними страницами истории Луны, после чего прерываются на 400 млн лет и возобновляются лишь около 4 млрд лет назад. Перевитые метаморфические породы, выходящие на поверхность в районе Большого Невольничьего озера на севере Канады — гнейсы Акаста, — официально признаны самой древней горной породой на Земле (это уже не просто минеральные зерна, такие как цирконы) и отмечают старт земного отсчета геохронологической шкалы: начало архейского эона. К сожалению, рассказывая в живых подробностях историю высокотемпературных поднятий и других процессов в недрах юной Земли, достопочтенные гнейсы Акаста (и чуть более молодые гнейсы в других районах Канады, а также в Гренландии и на юге Миннесоты) не сохранили никаких воспоминаний об условиях на поверхности планеты.

Первые сведения о происходившем на дневной поверхности Земли мы можем получить благодаря супракрустальным комплексам в формации Исуа на юго-западе Гренландии, которые были образованы 3,8–3,7 млрд лет назад, примерно в то время, когда интенсивная космическая бомбардировка наконец-то пошла на убыль. Формация Исуа включает разнообразные осадочные породы, образованные в результате эрозии и осадконакопления в поверхностных водах, а также зеленокаменные породы — метаморфизированные, но узнаваемые «подушечные» базальты с луковицеобразной формой отдельности, которая является характерным признаком подводных извержений. Это говорит о том, что в то время на Земле уже были океаны, а близость Луны, вероятно, значительно увеличивала высоту приливов. Приливы также были более частыми, чем сегодня, поскольку день длился предположительно меньше 18 часов (соответственно, в году было около 470 дней) [61] Williams, G., 2000. Geological constraints on the Precambrian history of Earth's rotation and the Moon's orbit. Reviews of Geophysics , 38, 37–59. doi:10.1029/1999RG900016 . Со временем трение между системой океан-атмосфера и твердой оболочкой Земли, действуя как мягкий тормоз, постепенно замедлило вращение планеты.

Породы формации Исуа снабжают нас косвенными сведениями о второй атмосфере Земли. Их происхождение свидетельствует о том, что 3,8 млрд лет назад на Земле жидкая вода была в изобилии, что, однако, вступает в противоречие с моделями звездной эволюции, согласно которым наше Солнце, относящееся к звездам класса желтый карлик , в те времена было примерно на 30 % менее ярким, чем сегодня, — а при таком количестве поступающей солнечной энергии любая вода на Земле должна была находиться в замороженном состоянии. Впервые на этот парадокс слабого молодого Солнца обратил внимание астрофизик Карл Саган в 1972 г. [62] Sagan, C., and Mullen, G., 1972. Earth and Mars: Evolution of atmospheres and surface temperatures. Science , 177, 52–56. Было выдвинуто множество оригинальных гипотез, как примирить это очевидное противоречие между астрофизической теорией и палеогеологическими данными (несущее в себе отголоски предыдущих противостояний между физикой и геологией). На сегодняшний день преобладает объяснение, согласно которому большая концентрация парниковых газов в атмосфере компенсировала недостаток солнечной энергии и сделала климат на юной Земле достаточно мягким для того, чтобы древние реки могли течь и стекаться в открытые моря. Как показывает атмосфера соседних Венеры и Марса с их затянувшейся вулканической активностью, первыми парниковыми газами, вероятно, были углекислый газ (CO 2) и водяные пары, хотя метан, этан, азот, аммиак и другие газообразные вещества могли играть роль дополнительных одеял, сохранявших архейский мир в тепле. Каким бы ни был ее точный состав, эта вторая атмосфера просуществовала более миллиарда лет и дала жизнь первым землянам.

Очевидное водное происхождение пород формации Исуа делает их бесценными угодьями для охотников за ранними формами жизни. В 1996 г. группа геологов из США, Великобритании и Австралии объявила об обнаружении косвенных геохимических доказательств древней жизни в графите (минеральной форме углерода), найденном в обогащенном железом слое в двух обнажениях пород формации Исуа [63] Mojzsis, S. J., et al., 1996. Evidence for life on Earth before 3800 million yearsago. Nature , 384, 55–59. doi:10.1038/384055a0 . В частности, они выявили необычно высокое содержание более легкого, стабильного (т. е. нерадиоактивного) изотопа углерода 12C по отношению к чуть более тяжелому 13C. Дело в том, что фиксирующие углерод организмы, в том числе фотосинтезирующие микробы и современные растения, очень разборчивы в отношении углерода. Поскольку для ассимиляции более легкого изотопа требуется чуть меньше энергии, они предпочитают выбирать именно его из доступных в окружающей среде углеродных атомов. В результате биогенный углерод имеет более низкое соотношение 13C/ 12C (разница в несколько тысячных долей), чем углерод, который не был переработан живыми организмами.

Как и предыдущие заявления об обнаружении самых древних свидетельств жизни на Земле, это открытие подверглось многочисленным атакам. Геологи из других исследовательских групп выдвигали разные предположения: что исследованные породы слишком метаморфизованы, чтобы сохранить исходную сигнатуру изотопов углерода [64] van Zuilen, M., Lepland, A., and Arrhenius, G, 2002. Reassessing the evidence for the earliest traces of life. Nature , 418, 627–630. doi:10.1038/nature00934 , что на одном из опробованных участков вмещающая порода, казавшаяся осадочным образованием, в действительности была магматической интрузией [65] Whitehouse, M., Myers, J., and Fedo, C., 2009. The Akilia Controversy: Field, structural and geochronological evidence questions interpretations of >3.8 Ga life in SW Greenland. Journal of the Geological Society , 166, 335–348. doi:10.1144/0016-76492008- 070 или что образцы были попросту загрязнены современным органическим веществом [66] Westall, F., and Folk, R., 2003. Exogenous carbonaceous microstructures in Early Archean cherts and BIFs from the Isua Greenstone Belt: Implications for the search for life in ancient rocks. Precambrian Research , 126, 313–330. . Горячий характер этой дискуссии вполне понятен, учитывая, насколько высоки ставки — в конце концов, речь идет об истории нашего собственного происхождения!