Дж. Д. Макдугалл - Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед

Хотя мы знаем, когда возникла Земля, следующая глава ее истории, в сущности, пуста. Ибо почти 600 миллионов лет после возникновения нашей планеты в ее летописи отсутствуют записи, соответственно представленные образцами горных пород. Древнейшие из обнаруженных пород найдены в Северо-западных территориях Канады. На основе анализа содержащихся в них изотопов свинца было установлено, что их возраст несколько превышает 3,9 миллиарда лет. Эти породы подверглись сильному метаморфизму, и поэтому трудно сказать что-либо определенное об их происхождении. Но тем не менее они не так уж сильно отличаются от многих других континентальных пород гораздо более молодого возраста. Таким образом, мы знаем, что уже 3,9 миллиарда лет назад существовали по меньшей мере какие-то фрагменты континентальной коры.

Вопрос о том, когда образовались первые континенты, давно вызывал острый интерес у геологов, поскольку очевидно, что для роста и эволюции земной коры потребовалось определенное геологическое время. Кажется вероятным, что до возникновения пород, имеющих возраст 3,9 миллиарда лет, должны были существовать какие-то небольшие континенты. Данные, которые приводят нас к этому заключению, редки, и найти их почти так же трудно, как пресловутую иголку в стоге сена. Но где следует искать такого рода данные? Ответ на этот вопрос представляет собой хороший пример того, как часто приходится работать геологам, используя настоящее как окно в прошлое. Мы знаем, что в наше время продукты эрозии накапливаются на краях континентов. Имеются веские основания ожидать, что и в прошлом ситуация не отличалась от нынешней. Даже самые древние материки должны были иметь берега и пляжи. Вполне вероятно, что если бы часть этих древнейших осадков сохранилась до нашего времени, они вполне могли содержать зерна минералов, происходящие из еще более древних эродированных континентов.

И вот, в поисках минеральных зерен, особенно устойчивых к разрушению при выветривании и переносе, геологам пришлось просеять немало образцов древнейших известных нам песчаников, которые, вероятно, откладывались вдоль береговых линий древних материков. Во время одного из таких поисков в Западной Австралии был случайно обнаружен прослой песчаника возрастом в 3,6 миллиарда лет. Некоторые из зерен в этой породе оказались старше самого песчаника и, по-видимому, пережили много циклов эрозии, отложения, уплотнения в твердую породу, поднятия и повторной эрозии. Уильям Компстон с коллегами из Австралийского Национального университета в Канберре обнаружили, что несколько зерен устойчивого к выветриванию минерала циркона из этих древних песчаников имеют возраст от 4,1 до почти 4,3 миллиарда лет.

Кристаллики циркона являются обычными компонентами многих изверженных пород. Зачерпните горсть пляжного песка или почвы, и вполне может оказаться, что вы держите в ладони несколько зерен циркона, поскольку выветривание и эрозия, разрушившие их материнские породы, очень слабо воздействуют на инертные кристаллы циркона. Из-за своей твердости и устойчивости к разрушению большие прозрачные кристаллы этого минерала часто используются в качестве драгоценных камней. Но самыми полезными для геологов оказываются крошечные зерна циркона, которые переносятся на большие расстояния в водных потоках или даже ветром. Они-то и являются тем следом, с помощью которого можно проследить и найти тот самый исходный источник происхождения осадочного материала, в котором эти зерна сейчас находятся.

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.