Текст книги "Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога"

Блудные дочери

С конца 1950-х гг., когда масс-спектрометры стали доступны широким академическим кругам, геохронология выделилась в новый самостоятельный раздел геологии со своими учебными и исследовательскими программами. Примерно в это же время начал набирать популярность метод датирования на основе еще одной изотопной пары – калия-40 и аргона-40 (⁴⁰K – ⁴⁰Ar). Калий в изобилии присутствует во многих магматических и метаморфических породах, благодаря чему материнские (⁴⁰K) и его производные дочерние (⁴⁰Ar) изотопы могут быть обнаружены даже приборами с более низкой измерительной точностью. Оригинальный калий-аргоновый метод отлично подходит для датирования молодых пород с простой термической историей и по сей день остается важным инструментом, например, для определения возраста осадочных отложений, содержащих ископаемые остатки человеческих предков, таких как «Люси», которые, к удобству ученых, перемежаются со слоями вулканического пепла в магматически активной Восточно-Африканской рифтовой долине.

Проблема с парой K – Ar состоит в том, что дочерний изотоп разительно отличается от материнского. Калий – это крупный, общительный ион, охотно отдающий свой электрон другим элементам; аргон – компактный, самодостаточный атом благородного газа с полностью заполненными электронными оболочками, не желающий вступать в какие-либо отношения с другими элементами. Поэтому при малейшей возможности, будь то положение на краю кристалла, появление трещины или нагревание в ходе метаморфического события, открывающее кристаллические двери минерала для диффузии, дочерние изотопы аргона сбегают из родительского дома. В результате родительский кристалл кажется намного моложе своего истинного геологического возраста, причем невозможно узнать, на сколько именно. Полученные значения (со знаком плюс-минус) отражают лишь погрешность измерения, вызванную ограниченной точностью лабораторных инструментов, а не возможное отклонение от фактической даты.

Проблема калий-аргонового датирования стала особенно очевидной в 1960-е гг., когда этот метод был применен к древним породам плато Канадский щит, имеющим долгую многоэтапную историю деформаций и метаморфизма. Полученные датировки иногда расходились с данными полевых наблюдений об относительном возрасте этих пород. В некоторых случаях большое количество аргона, истекавшего из минералов на большой глубине, задерживалось в соседних породах, из-за чего их калий-аргоновый анализ, наоборот, давал слишком старые датировки. Младоземельные креационисты по сей день ссылаются на эти противоречия как на доказательство фундаментальной ошибочности всей геохронологии. Но к 1970-м гг. геохронологи разработали более продвинутый вариант калий-аргонового метода, который позволяет определить, имела ли место потеря аргона (или его приобретение), и получить более точные датировки.

По новой методике калийсодержащий образец подвергается бомбардировке нейтронами, в результате чего изотопы ⁴⁰K в образце преобразуются в недолговечный изотоп аргона ³⁹Ar, который далее выступает как эквивалент материнского изотопа. Затем в ходе лабораторной имитации метаморфического события образец медленно нагревается, чтобы запустить процесс выделения аргона. По мере повышения температуры кристаллы отдают все больше изотопов аргона обоих типов: ³⁹Ar, представляющего материнский изотоп, и ⁴⁰Ar – дочерний радиогенный изотоп. Анализ происходит поступенно: на каждой ступени нагревания выделяемый аргон собирают, измеряют его изотопный состав и на основе соотношения ⁴⁰Ar/³⁹Ar (которое фактически является соотношением дочернего/материнского изотопов) рассчитывают кажущийся возраст образца. Как правило, возраст, рассчитанный для первых нескольких ступеней, т. е. для периферии кристалла, откуда утечка геологического аргона происходила легче всего, оказывается моложе, чем возраст, полученный для внутренней части кристалла. Если при дальнейшем нагревании расчетный возраст стабилизируется вокруг некоего устойчивого значения – геохронологи называют его «плато аргон-аргонового возраста», – есть все основания полагать, что внутренняя часть кристалла не испытывала значительных потерь аргона и что полученный возраст является значимым в геологическом отношении.

Судьбоносные датировки

Пожалуй, самым знаменитым достижением аргон-аргонового метода датирования стала окончательная идентификация кратера гигантского метеорита, столкновение с которым привело к гибели динозавров в конце мелового периода. Гипотеза о том, что причиной вымирания динозавров могло быть массивное астероидное воздействие на планету, была впервые выдвинута в 1980 г. отцом и сыном Альваресами – Луисом Альваресом, лауреатом Нобелевской премии по физике, и его сыном Уолтером, геологом из Беркли. Уолтер проводил исследования в итальянских Центральных Апеннинах – молодых горах, при образовании которых в результате сжатия земной коры толщи морских известняков позднего мезозоя и раннего кайнозоя были подняты выше уровня моря[26]26
  Лирический рассказ о геологии Апеннин вы найдете в книге: Walter Alvarez, 2008. In the Mountains of St Francis. New York: WW Norton.


[Закрыть]. Одна из этих осадочных толщ, так называемая Скалья-Росса (scaglia rossa, буквально «красный камень») – красивый известняк розового оттенка, которым итальянцы любят облицовывать дома, замки и соборы, содержит непрерывную летопись морской среды до, во время и после мел-палеогенового вымирания динозавров. Хотя в Скалья-Росса нет костей динозавров, поскольку эти отложения аккумулировались на дне континентального шельфа Африки, само событие массового вымирания четко отмечено в этой толще резким изменением характера и количества микроскопических окаменелостей, а также характерным прослоем темно-красной глины толщиной чуть больше сантиметра.

Уолтер Альварес задался вопросом, какой интервал времени представляет этот прослой глины – немой свидетель глобального апокалипсиса. Его отец Луис, еще один бывший участник Манхэттенского проекта, имел доступ к лаборатории Лоуренса в Беркли, где имелось оборудование, способное обнаруживать в материалах следовые элементы в концентрациях, измеряемых в миллиардных долях (млрд ^{– 1}, или ppb). Он предложил измерить в этих граничных глинах концентрацию некоторых редких металлов платиновой группы, таких как иридий, который попадает на поверхность Земли в основном из космоса, вместе с медленным, но постоянным дождем микрометеоритной пыли (вы можете собрать микрометеориты, многие из которых обладают магнитными свойствами, даже на крыше своего дома, если у вас хватит терпения заниматься этим несколько месяцев)[27]27
  Genge, M., et al., 2016. An urban collection of modern-day large micrometeorites: Evidence for variations in the extraterrestrial dust flux through the Quaternary. Geology, 45, 119–121. doi:10.1130/G38352.1


[Закрыть]. Средняя интенсивность этих металлических «осадков» за прошедшие 700 000 лет известна благодаря анализу антарктических ледяных кернов, и если предположить, что в меловом периоде она была примерно такой же, то, измерив содержание металлов в граничном глиняном слое, можно было подсчитать, как долго происходило его накопление. За этим стояла, по сути, та же логика, что и за попытками геологов Викторианской эпохи опровергнуть лорда Кельвина: суммировать все количество накопленного материала (осадков или иридия) и разделить на наиболее обоснованную величину скорости его накопления, чтобы вычислить длительность истекшего времени.

Чтобы получить представление о фоновых концентрациях иридия, Альваресы проанализировали образцы не только из самого глиняного слоя, но и из соседних слоев известняка, лежащих выше и ниже него. Оказалось, что концентрация иридия увеличилась примерно с 0,1 ppb (млрд ^{– 1}) в нижележащем известняке до более чем 6 ppb (млрд ^{– 1}) в глине. Хотя абсолютное количество металла кажется небольшим, его относительная концентрация претерпела поистине аномальный рост – в 60 раз. Это могло означать одно из двух: либо (1) слой глины формировался на протяжении очень длительного времени, медленно аккумулируя иридий из обычного микрометеоритного дождя (но тогда непонятно, почему за это время накопилось так мало обычных осадков), либо (2) огромное количество метеоритного материала попало на Землю одномоментно, а именно вместе с гигантским астероидом диаметром около 10 км. Обе гипотезы представлялись неправдоподобными, но вторая казалась чуть менее невероятной.

Однако такое объяснение в духе «бога из машины» противоречило глубоко укоренившемуся к тому времени в геологии лайелевскому униформистскому (актуалистическому) мышлению с его отрицанием роли катастроф в истории Земли. Кроме того, лежавшее в его основе материальное свидетельство – крошечное увеличение концентрации чужеродного элемента в тонком слое глины – казалось настолько ничтожным, что не могло убедить большинство палеонтологов, потративших всю свою жизнь на скрупулезное изучение окаменелостей в попытке понять причины мел-палеогенового вымирания. Тем не менее, когда аналогичные иридиевые аномалии были выявлены и на других участках выходов на поверхность верхних слоев мелового периода по всему миру, гипотеза Альваресов получила подтверждение. Теперь возник новый вопрос: где кратер?

К концу 1980-х гг. след из тектитов – крошечных сферических и каплеобразных оплавленных кусочков стекла, образующихся при расплавлении горных пород в результате высокоэнергетического ударного воздействия, – указал на Карибский регион как наиболее вероятное место падения метеорита в конце мелового периода. Но только в 1991 г., спустя более 10 лет после выдвижения астероидной гипотезы, у северного побережья мексиканского полуострова Юкатан был найден подходящий по возрасту и размеру ударный кратер – огромная кольцеобразная структура диаметром около 190 км, бо́льшая часть которой погребена под толщей молодых осадочных пород. Кратер был назван Чикшулуб по названию ближайшей деревушки на побережье. В следующем году публикация аргон-аргоновых датировок расплавленного стекла из буровых кернов, взятых из центра кратера, окончательно убедила сомневающихся геологов в том, что именно здесь находился эпицентр катаклизма. Средневзвешенное значение плато аргон-аргоновых возрастов для трех образцов составило 65,07 ± 0,10 млн лет, что точно соответствовало границе мелового периода, определенной Международной комиссией по стратиграфии[28]28
  Swisher et al., 1992. Coeval ⁴⁰Ar/³⁹Ar ages of 65.0 million years ago from Chicxulub Crater melt rock and Cretaceous-Tertiary boundary tektites, Science, 257, 954–958.


[Закрыть].

Докембрий внутри кристалла

В истории Земли динозавры, как звезды шоу-бизнеса, получают львиную долю внимания и затмевают собой множество других, не менее значимых персонажей и событий. Впрочем, следует признать, что при всем уважительном отношении ко всем горным породам и мне свойственна некоторая предвзятость. Выросшая на краю Канадского щита – древнего ядра Cеверо-Американского континента, я питаю глубокое пристрастие к породам старше миллиарда лет. Подобно вину и сыру, с годами горные породы становятся все интереснее, приобретая своеобразие и особую красоту. Большинство докембрийских пород за свою долгую жизнь пережили часто неоднократное тектоническое перемещение и последующее глубокое погружение уже далеко от места своего рождения, а затем каким-то чудом оказались поднятыми обратно на поверхность. Молодые породы общаются с нами на простом и понятном языке, но обычно могут рассказать геологам лишь достаточно обычные вещи. Древнейшие породы говорят загадками, намеками и метаморфическими метафорами. Однако терпеливому и целеустремленному геологу они могут поведать правдивые истории о суровых испытаниях, которые им пришлось пережить.

Еще до того, как Клэр Паттерсон вычислил возраст Земли, изотопные датировки докембрийских пород показывали, как сильно геохронологическая шкала, составленная геологами Викторианской эпохи на основе окаменелостей, искажает восприятие геологического времени. Было установлено, что возраст нижних слоев кембрия составляет около 550 млн лет, однако возраст пород Канадского щита превышает 2 млрд лет. А с определением возраста Земли, равного 4,5 млрд лет, стало окончательно очевидно, что почти мистический докембрий, некогда считавшийся непродолжительным младенчеством Земли, недоступным для человеческого познания, на самом деле включает ее детство, юность, а также бóльшую часть взрослой жизни, т. е. целых восемь девятых времени существования планеты. Тем не менее давняя привычка уделять чрезмерное внимание фанерозою – эону «явной жизни», длящемуся с кембрия по наши дни, сохраняется и сегодня. Авторы большинства учебников по исторической геологии по-прежнему отводят докембрию одну-две формально написанные главы, спеша перейти к «более интересным» периодам. Понемногу, благодаря развитию высокоточных методов геохронологических исследований, в частности нового поколения методов уран-свинцового датирования, геологи исправляют эту устойчивую временну́ю тенденциозность.

Подобно тому как люди не помнят своего рождения и первых лет жизни, Земля не сохранила прямых свидетельств своего возникновения и ранних дней существования. Летопись Земли начинается с едва заметных записей возрастом от 4,4 до 4,2 млрд лет, скрытых в небольшом количестве крошечных и удивительно долговечных кристаллов циркона, которые сохранились в зернах древнего песчаника в хребте Джек-Хиллс в далекой Западной Австралии. Эти самые древние объекты на планете вызывают жаркие споры с момента объявления об их открытии в знаменитой статье, опубликованной в журнале Nature в 2001 г.[29]29
  Wilde, S., Valley, J., Peck, W., and Graham, C., 2001. Evidence from detritalzircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 409, 175–178. doi:10.1038/35051550


[Закрыть]

Циркон – мечта геохронолога (недаром Холмс использовал именно этот минерал для получения первых абсолютных датировок). Его кристаллическая структура такова, что при кристаллизации в нее могут встраиваться только атомы урана, но не свинца. А поскольку уран имеет два радиоактивных материнских изотопа, которые распадаются на разные дочерние изотопы свинца, сама природа встроила в циркон возможность перекрестной проверки на предмет потери дочерних изотопов: если значения возраста, полученные по соотношениям ²⁰⁶Pb/²³⁸U и ²⁰⁷Pb/²³⁵U, совпадают, т. е. являются конкордантными, или согласными, значит, потери свинца не было. Точность конкордантных уран-свинцовых датировок циркона поразительна: возраст самого старого циркона из Джек-Хиллс был определен в 4404 ± 8 млн лет, т. е. с погрешностью всего в 0,1 %, что значительно точнее соответствующих датировок на основе углерода-14. Не все потеряно даже в том случае, если происходила потеря свинца: статистический анализ дискордантных цирконов из образца породы позволяет определить не только их возраст кристаллизации, но зачастую и возраст метаморфического события, приведшего к потере свинца.

Кроме того, циркон – очень прочный минерал, способный выдерживать абразию и коррозию, которая разрушает другие минералы, и имеющий очень высокую температуру плавления, благодаря чему он может переживать метаморфические события, не теряя «памяти» о своем прошлом. Как любят говорить геохронологи, «цирконы вечны» (в отличие от алмазов – минералов, образованных в мантии при высоком давлении, которые на поверхности Земли медленно, но неумолимо превращаются в графит). Старые кристаллы циркона обычно имеют концентрические зоны роста, почти как годовые кольца у деревьев: сердцевина кристалла хранит историю своей первоначальной кристаллизации из магмы, а последовательные полосы отражают рост в ходе более поздних метаморфических событий (рис. 6). Новейшее поколение масс-спектрометров SHRIMP (Super High Resolution Ion Micoprobe) – чувствительных ионных микрозондов с высокой разрешающей способностью – позволяет определять изотопные соотношения для отдельных «колец роста» циркона толщиной всего 10 микрон, что в несколько раз тоньше волоса. Самые старые датировки цирконов из Джек-Хиллс получены для внутренних частей кристаллов, обросших многослойными оболочками. Подобно тому как годовые кольца одного старого дерева могут хранить в себе климатическую летопись целого региона, один древний зональный кристалл циркона может содержать тектоническую хронику всего континента.

Древний возраст зерен циркона из Джек-Хиллс еще более удивителен в свете того факта, что циркон образуется почти исключительно при кристаллизации гранитов и других магматических пород, которые слагают основание континентов. Граниты представляют собой магматическую породу, образовавшуюся из «эволюционировавшей» магмы. Это означает, что они не могут образоваться за одну стадию плавления мантии (которая является источником всех пород в планетарной коре). Сегодня основным источником гранитных пород считаются очаги вулканов в зонах субдукции, таких как гора Рейнир (высочайшая точка Каскадных гор), где эти породы образуются в результате частичного плавления более старой коры, обычно в присутствии воды (подробнее об этом написано в главе 3). Если самые старые цирконы из Джек-Хиллс были образованы таким же образом, то возможно, что их кристаллизации предшествовало существование еще более ранней коры, которая образовалась, застыла, а затем переплавлялась в течение первых 150 млн лет с момента рождения планеты. Не менее удивительно и то, что соотношение различных изотопов кислорода в древних цирконах предполагает, что магма, из которой они кристаллизовались, взаимодействовала с относительно холодной поверхностной водой. Отбросив традиционно присущую ученым сдержанность в выведении заключений, авторы упомянутой эпохальной статьи в журнале Nature выдвигают смелое предположение – на основе изучения нескольких кристаллов размером меньше блохи, – что 4,4 млрд лет назад на Земле существовали не только континенты и океаны, но и, исходя из присутствия поверхностных вод, возможно, даже жизнь.

Общепланетарные усилия

Статья о цирконах из Джек-Хиллс, одна из самых цитируемых работ среди всей геологической литературы, представляла собой виртуозную кульминацию почти столетия изотопной геохимии и опиралась на самые передовые аналитические методы, доступные на тот момент. Тем не менее своими смелыми индуктивными умозаключениями и униформистским подходом она удивительным образом напоминала самый первый научный труд современной геологии – «Теорию Земли» Джеймса Геттона. Вопрос о том, распространяется ли принцип униформизма на раннюю Землю, сегодня вызывает жаркие дискуссии в геологическом сообществе, и есть веские основания полагать, что в первые 2 млрд лет своего существования Земля вела себя иначе, чем сейчас.

Как бы то ни было, история составления все еще незаконченного Атласа глубокого времени, от Сиккар-Пойнт до Чикшулуба и Джек-Хиллс, со всей наглядностью показывает, что картирование геологического времени – поистине общечеловеческое достижение, ставшее возможным благодаря самоотверженному труду бесчисленных теоретиков и практиков геологической науки: смелых мыслителей, не слишком одержимых деталями, таких как Геттон и Лайель; внимательных охотников за окаменелостями, таких как Уильям Смит; интеллектуалов-эрудитов, таких как Дарвин и Холмс, способных увидеть взаимосвязи между разными научными дисциплинами; дотошных лабораторных аналитиков, таких как Нир и Паттерсон; бюрократов из Международной комиссии по стратиграфии; а также легионов трудолюбивых безымянных полевых картографов (не только профессионалов, но и любителей), которые посвящают свою жизнь изучению и описанию камней в стремлении проникнуть в тайны не только хроноса, но и кайроса нашей планеты.

Глава 3
Ритмы земли

Эфемерная география

Одно из моих ранних воспоминаний школьных лет связано с документальным фильмом об образовании вулканического острова Сюртсей, который начал подниматься над поверхностью Атлантического океана у побережья Исландии в конце 1963 г. На черно-белых кадрах был запечатлен удивительный процесс, как среди вздымающихся в небо клубов пара и пепла рождается новый мир – безжизненная земля из черного вулканического шлака, не обозначенная еще ни на одной карте мира. Первым извержение вулкана заметил капитан корабля, который поначалу принял его за пожар на большом судне. Мой юный впечатлительный ум был взбудоражен этим событием: то, что внутри кажущейся бесстрастной планеты с ее непроницаемым каменным лицом бурлит тайная жизнь, стало для меня настоящим откровением. С 1963 по 1967 г. Сюртсей вырос из подводного хребта с вершиной на 130 м ниже уровня моря в небольшой конический островок высотой более 170 м. На пике извержений площадь острова достигала 2,5 кв. км. Но, едва извержения прекратились, процессы эрозии, вымывания, оседания и опускания почти так же быстро принялись его разрушать. Сегодня остров уменьшился примерно до половины того размера, которого он достиг в 1967 г., и, по оценкам ученых, должен полностью исчезнуть к 2100 г. (или раньше – в зависимости от скорости повышения уровня Мирового океана). Сохранив к средним летам столь же впечатлительный ум, что и в юности, я испытываю не меньшее волнение, наблюдая за тем, как буквально на моих глазах протекает жизненный цикл этого крошечного участка суши – его рождение, молодость, кратковременный расцвет и неотвратимая кончина.

Геттон, Лайель и Дарвин были убеждены, что большинство геологических процессов протекают непостижимо медленно, и эта идея десятилетиями вдалбливалась геологами в сознание общественности. Однако сегодня, благодаря высокоточным методам геохронологических исследований, возможностям спутникового наблюдения, а также ведущемуся на протяжении столетия мониторингу основных показателей жизнедеятельности планеты, таких как температура, осадки, речной сток, поведение ледников, запасы подземных вод, уровень моря, сейсмическая активность, стало очевидно, что многие геологические процессы, некогда казавшиеся недоступными для нашего наблюдения, можно отслеживать в режиме реального времени. Постепенно мы узнаем, что темп жизни нашей планеты вовсе не такой медленный и не такой постоянный, как считалось раньше.