Текст книги "История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет"

Зримый круговорот воды

Сколько бы воды мы ни обнаружили на Луне или на Марсе (похоже, ее там много), единственным водным миром в Солнечной системе остается Земля. Рассказ о земной воде – ее запасы на планете, в каких формах она существует, где находится и как перемещается – дело нелегкое. Еще в 1990-е гг. считалось, что океаны являются самым крупным хранилищем воды, вмещающим около 96 % всей водной массы Земли. На втором месте с большим отрывом располагаются ледяные шапки и ледники, которые на сегодня содержат примерно 3 % (и, вероятно, не более 5–6 % во времена расползания ледников на пике ледникового периода). Грунтовые воды (вся близкая к земной поверхности вода, как в хорошо очерченных водоносных слоях, так и в дисперсном виде) составляют примерно 1 %, тогда как вода озер, рек, ручьев, прудов и атмосферы, вместе взятых, составляет не более сотых долей процента всей поверхностной воды на Земле.

Вся эта вода находится в постоянном движении, перемещаясь из одного водоема в другой за временной интервал от дней до миллионов лет. Динамичный, поддерживающий земную жизнь круговорот воды является самой очевидной причиной изменений на нашей вечно меняющейся планете. Представьте себе перемещение одной-единственной молекулы Н2О – молекулы, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, – возрастом много миллиардов лет. Начнем прослеживать путь нашей молекулы из могучего Тихого океана, где наибольшая часть приповерхностных молекул воды проводит весь отпущенный им срок существования. Мощное и холодное Калифорнийское океанское течение уносит эту молекулу от побережья Аляски на юг, вдоль побережья Калифорнии до Байи и далее к экватору. По мере прогрева и подъема глубинных слоев наша молекула поднимается почти к поверхности океана и начинает грандиозное путешествие по часовой стрелке вокруг северной части Тихого океана – вначале в Северном экваториальном течении, по направлению на запад, огибая Японию, затем в Северном тихоокеанском течении, направляясь на восток к Северной Америке. Когда наша молекула снова оказывается вблизи Калифорнии, она окончательно поднимается на поверхность океана и испаряется в атмосферу, где участвует в образовании облаков.

Преобладающие ветры несут массу дождевых облаков на восток, пересекая пустынный Юго-Запад в направлении Скалистых гор. По мере того как облака поднимаются в более холодные слои атмосферы, они начинают проливаться дождем. В конце концов, наша молекула достигает земной поверхности в составе дождевой капли; извилистым путем она переходит из ручейка в ручей, затем в речушку, затем в полноводную реку. До этого момента молекула двигается быстро – примерно год-два уходит на пересечение Тихого океана, день-другой на подъем к облакам и выпадение вместе с дождем, около недели на пересечение холмистой местности вместе с потоком. Однако, погрузившись в почву, она попадает в обширный водоносный горизонт и может провести там тысячи лет, путешествуя в подземном царстве.

Здесь вмешательство человека нарушает естественный природный ритм, поскольку необходимость в воде заставляет фермеров выкачивать колоссальные объемы грунтовых вод для поддержания земледелия в засушливом регионе Юго-Запада США. Наша молекула снова оказывается на поверхности и через поливальные установки попадает на кукурузные поля Техаса, где быстро испаряется, устремляясь в безоблачное техасское небо, продолжая путешествие на восток.

Эта история продолжается бесконечно. Некоторые молекулы временно распадаются на ионы – гидронии и гидроксилы, но потом снова собираются в новые молекулы воды в компании с другими атомами. Некоторые молекулы могут вмерзать в толстый ледовый покров Антарктики, где застревают на миллионы лет. Другие под воздействием различных химических реакций становятся частью глинистых минералов в составе почвы.

Живая природа также стала неотъемлемой частью круговорота воды. Растения поглощают молекулы воды и углекислого газа и под воздействием солнечных лучей соединяют их в ходе фотосинтеза, необходимого для роста корней, стволов, листьев и плодов. Богатые питательными веществами растительные ткани идут на корм животным и, подвергаясь метаболизму под воздействием дыхательных процессов, превращаются в продукты жизнедеятельности, в частности, снова выпускаемые с каждым выдохом молекулы углекислого газа и воды.

Подземный круговорот воды

С середины 1980-х гг. ученые начали всерьез задумываться о мировых запасах воды, поскольку они явно не исчерпываются приповерхностной водой. Поскольку нам известно, что подземные массы магмы содержат достаточное количество воды для поддержания вулканической деятельности, можно сделать вывод, что силикатные минералы, кристаллизованные глубоко в недрах Земли, каким-то образом улавливают молекулы H2O. Значит, должен существовать скрытый в недрах круговорот воды, который мог бы многое поведать нам о том, как и когда Земля превратилась в омываемую океанами планету, каковой она является в наше время.

Экспериментальный подход к исследованию глубинных вод строился на предположении, что наиболее распространенные минералы мантии – оливин, пироксен, гранат и их более плотные подземные разновидности – могут содержать в своем составе некоторое количество воды. В 1990-е гг. экспериментальное выявление наличия воды в «заведомо безводных» минералах стало главным содержанием минералогии высоких давлений и дало удивительные результаты. Выяснилось, что под воздействием высоких давлений и температур некоторые минералы с легкостью поглощают многочисленные атомы водорода, которые с минералогической точки зрения являются эквивалентом воды (поскольку в таких минералах атомы водорода соединяются с кислородом). Минералы, которые в условиях земной коры, куда они попадают в момент извержения вулканов и где господствуют низкие давления и температуры, неизменно остаются безводными, тогда как в глубинных слоях мантии они способны поглощать влагу.

Вообще техника эксперимента довольно проста. Берем образец оливина или пироксена, добавляем воду, нагреваем их под высоким давлением и наблюдаем, что при этом происходит с водой. На практике дело обстоит совсем не так просто. Для воспроизведения условий нижних слоев земной мантии образец должен подвергнуться давлению в сотни тысяч атмосфер и одновременно нагреву не менее чем до 2000 °С. Для совершения такой непростой операции исследователи применяют два различных подхода.

Одни предпочитают массивные прессы величиной с комнату, способные оказывать многотонное давление на крохотный образец – усовершенствованные разновидности «бомбы», которой пользовался Йодер полстолетия назад. Агрегат состоит из четырех вложенных друг в друга конструкций наподобие матрешки: каждая конструкция окружает меньшую по объему, фокусируя высокое давление на объеме, который становится все меньше и меньше. Снаружи две гигантские металлические плиты сдавливают внутренние части установки сверху и снизу с силой в тысячи тонн. Эти внешние плиты давят на вторую конструкцию, состоящую из шести изогнутых стальных частей – три сверху и три снизу, которые равномерно сдавливают третью конструкцию, представляющую собой куб из восьми карбид-вольфрамовых пластин. Сам образец минерала в виде пыли плюс вода находится в четвертой, внутренней конструкции – контейнере, чаще всего с золотой или платиновой внутренней поверхностью, чтобы не допустить выдавливания образцов за пределы контейнера. Для усиления эффекта давления контейнер с образцом и водой снабжен внутренним электрическим нагревателем, и температура нагрева измеряется непрерывно с помощью тончайшей проволочной термопары.

Другой популярный экспериментальный подход для воссоздания условий земной мантии основывается на применении камеры с алмазной наковальней, которая обеспечивает мощное давление путем сжатия двух алмазов с плоскими поверхностями. Берем два алмаза бриллиантовой огранки размером полкарата, вроде камушков в обручальном кольце, и полируем их острые концы, чтобы создать плоскую круглую поверхность полмиллиметра в диаметре – это и образует опорные плоскости наковален. Затем помещаем алмазы в сверхточно отрегулированные металлические тиски, установив между ними тонкий лист металла с небольшим отверстием в центре. Центруем отверстие между двумя алмазными кристаллами, загружаем в него минеральный образец и воду и сжимаем тиски. Благодаря крошечной площади наковален удается достичь огромного давления. Камеры с алмазными наковальнями установили рекордное давление до 3 млн атмосфер, равное тому, что наблюдается в земном ядре. При этом прозрачные ограненные алмазы позволяют наблюдать за образцом в процессе давления. Так что эксперимент сопровождается использованием полного набора спектроскопических измерений, а нагрев до температур мантии легко осуществляется мощным лазером, луч которого хорошо проходит сквозь алмазные поверхности наковален.

Если эксперимент получается – достигаются и поддерживаются необходимые давление и температура, термопара не разрушается, а образец не выдавливается, – начинается решение хитроумных аналитических задач. Водосодержащие минералы вроде глины или слюды распознаются легко, но как измерить миллионные доли воды в составе сухого образца? В некоторых случаях применяется ионный зонд; именно его высокая чувствительность и пространственное разрешение позволили Эрику Хаури обнаружить признаки воды в лунном вулканическом стекле. Другим хорошим способом является инфракрасная спектроскопия, которая позволяет проследить характерные связи между кислородом и водородом. Возникшие между водородом и кислородом новые соединения изменяют характер взаимодействия инфракрасного излучения и кристалла, и благодаря этим сдвигам можно отследить попадание воды в структуру минерала. Однако осторожные коллеги (и недоверчивые конкуренты) непременно усомнятся в том, что эксперимент безупречен, а аналитические приборы достаточно чувствительны. Единственное включение жидкости – частичка воды, неразличимая под микроскопом, может дать ложный сигнал при всей изощренности измерений.

Как все новое в науке, такие эксперименты потребовали времени, чтобы получить признание, но чем больше проводилось наблюдений, тем больше минералов из глубин земной мантии обнаруживали способность удерживать воду. Относительно безводными являются минералы нижнего слоя земной коры – оливин и пироксен, содержащие не более 0,01 % воды. Но стоит повысить давление до 100 000 атмосфер, а температуру до 1000 °С, характерных для мантии, как оливин трансформируется в вадслеит, способный удерживать до 3 % воды. Соответствующий слой, переходная зона земной мантии на глубине от 410 до 659 км, является одним из самых «обводненных» мест на планете и, возможно, содержит в девять раз больше воды, чем все океаны на поверхности. Минералы нижнего слоя мантии менее насыщены водой, но зато значительно превышают в совокупности объем минералов на Земле в целом, составляя примерно половину всего земного вещества, так что, по некоторым оценкам, эта область содержит в 16 раз больше воды, чем океаны. С учетом возможности существования других водонасыщенных минералов, а также вероятного наличия большого количества водорода в железном ядре, в недрах планеты могут содержаться запасы воды объемом более восьмидесяти океанов.

Первый океан

По самым осторожным оценкам, начальные запасы летучих веществ на Протоземле более чем в 100 раз превышали их нынешний объем на Земле. Одна из основных проблем в исследовании летучих элементов заключается в том, чтобы определить, сколько их было и как они исчезли.

Кое в чем мы можем быть уверены. С самого первого дня огромное количество летучих веществ выбрасывалось наружу по мере того, как громадные вулканы извергали из глубин Земли гигантские клубы пара в стремительно густеющую атмосферу. В первые несколько миллионов лет существования Протоземли ее атмосфера была во много раз плотнее, чем сейчас. На протяжении миллионов лет из нее на поверхность планеты обрушивалась вода, охлаждая первую твердь и образуя обширные, но мелкие океаны.

А затем Великое столкновение сдуло прочь всю атмосферу. Почти все молекулы, оказавшиеся на поверхности, исчезли в космическом пространстве, словно кто-то нажал гигантскую кнопку перезагрузки. У нас нет достоверных данных, какие объемы азота, воды и других летучих элементов при этом испарились, но явно колоссальные. В течение последующих пяти миллионов лет множество небольших каменных глыб, около 150 км в диаметре, обрушивались на поверхность Земли, вызывая невообразимые разрушения, и каждый раз при этом испарялась значительная часть океанов, уменьшая запас летучих веществ.

И все же в течение нескольких миллионов лет после Великого столкновения водяные пары снова стали основным компонентом первозданной атмосферы, где постоянно бушевала буря, клубились темные тучи, завывал ветер, сверкали молнии и беспрерывно шел проливной дождь. Омываемая ливнями базальтовая кора остывала и твердела, а глубокие провалы постепенно заполнялись водой, образуя океаны. На какое-то время над земной поверхностью сформировалась глобальная сауна, поскольку тонкая пленка поверхностной воды проникала в трещины и расщелины, попадая на раскаленные камни земных недр и возвращаясь на поверхность в виде колоссальных гейзеров из пара и перегретой воды. Такое интенсивное взаимодействие воды и раскаленных камней ускоряло охлаждение коры, образуя все более глубокие водоемы, озера, океаны.

Невозможно подсчитать, сколько времени понадобилось на формирование Мирового океана, но свидетелем этого процесса оказываются древнейшие на земле кристаллы. Некоторые из самых древних горных пород можно обнаружить в слоях осадочных отложений, возрастом более трех миллиардов лет, вскрывающихся в районе горного массива Джек-Хиллс среди засушливых плоскогорьев Западной Австралии. Минералы и горные породы размерами с песчинку, которые слагают эти отложения, образовались в процессе эрозии давно исчезнувших массивов гораздо более древнего возраста. Малая часть этих песчинок, примерно одна на миллион, состоит из циркона – силиката циркония (ZrSiO₄), одного из прочнейших в природе материалов.

Отдельные зерна циркона, размером меньше точки в конце предложения, первоначально сформировались как акцессорные минералы вулканических пород. Представьте себе твердеющий расплавленный базальт, в котором содержатся только следовые количества циркония. Большинство химических элементов, редких или распространенных, легко входит в кристаллические структуры пироксена, оливина или полевого шпата. Но цирконию нет места в обычных минералах. Он стремится обособиться, образуя обособленные крошечные кристаллики.

Эти неприметные кристаллики циркона в силу целого ряда обстоятельств стали уникальным источником сведений о ранних стадиях развития Земли. Во-первых, цирконы могут существовать практически вечно (по крайней мере пока существует Земля). Единичный кристалл циркона вымывается из одной породы (возможно, из вулканического вещества, где он изначально образовался), потом становится частью осадочного слоя песчаника, затем выветривается из него снова и снова – и так продолжается миллиарды лет. Одно и то же зерно циркона может пройти через десяток различных, последовательно образующихся и разрушающихся осадочных пород.

Во-вторых, по кристаллам циркона можно определять геологический возраст, поскольку они часто включают уран, который может составлять примерно 1 % от общего числа их атомов. Радиоактивный уран с периодом полураспада в 4,5 млрд лет является самым точным секундомером в природе. Как только кристалл циркона сформировался, атомы урана оказываются запертыми в нем и начинают распадаться с постоянной скоростью; половина из них распадается в среднем за 4,5 млрд лет, при этом каждый трансформируется в стабильный атом свинца. Соотношение распадающихся материнских атомов урана и образующихся дочерних атомов свинца позволяет точно определить возраст кристалла циркона.

Наконец, два из каждых трех атомов циркона состоят из кислорода, что позволяет определить температуру образования кристалла. Вспомним, что одним из свидетельств образования Луны оказалась характерная пропорция устойчивых изотопов кислорода: Луна и Земля имеют одинаковое соотношение кислорода-16 к кислороду-18, что свидетельствует о том, что они образовались на равном удалении от Солнца. Подобным же образом, через соотношение кислорода-16 и кислорода-18, можно определить температуру, при которой образовался кристалл циркона: более тяжелые образцы, обогащенные кислородом-18, указывают на более низкую температуру образования. Для вулканических пород такая температура может служить показателем содержания воды в магме, в которой вырос кристалл циркона, потому что вода снижает температуру кристаллообразования. Более того, соотношение изотопов в воде, близкой к поверхности, тяготеет к преобладанию тяжелого кислорода, так что кристаллы циркона с высоким содержанием кислорода-18, с большой долей вероятности, взаимодействовали с поверхностной водой.

Таким образом, кристаллы циркона в древнейших горных породах могли пережить много циклов отложения и эрозии, сохраняя данные о возрасте, температуре и наличии воды в окружающей среде во время образования. Всю эту информацию хранят кристаллы, едва заметные невооруженным глазом!

Подводя общий итог, можно сказать, что многие кристаллы циркона из горного массива Джек-Хиллс в Австралии имеют одинаковый возраст, превышающий 4 млрд лет, но возраст одного самого древнего зерна приближается к умопомрачительным 4,4 млрд лет. Этот древнейший из известных кристаллов циркона – поистине самый старый из сохранившихся твердых фрагментов Земли – имеет поразительно богатый кислородом состав. Некоторые исследователи полагают, что 4,4 млрд лет назад, когда Земле было всего 150 млн лет от роду, ее поверхность была сравнительно прохладной и сырой, следовательно, в то время существовали океаны.

Однако другие ученые не вполне согласны с этой гипотезой. Они указывают на то, что кристаллы циркона могут быть невероятно сложными: это зерно возрастом 4,4 млрд лет, как практически и все слегка более молодые собратья из Джек-Хиллс, обладает древним кристаллическим ядром. Детальное изучение строения отдельных кристаллов выявило наличие концентрических слоев более молодого циркона, выросшего вокруг более старых слоев. Совсем нередко бывает так, что наружная оболочка отдельного кристалла моложе его ядра как минимум на миллиард лет, что соответствует сложным вариациям содержания изотопов кислорода. Если более древнее ядро кристалла подвергалось изменениям в течение очередных стадий роста кристалла, то данные об истинном состоянии земной поверхности в далекой древности могут быть скрыты.

Как бы то ни было, в истории с цирконом большинство специалистов сходятся в том, что не более 100 млн лет спустя после Великого столкновения Земля превратилась в сверкающую голубой водой планету, покрытую океаном километровой глубины. Из космоса она, должно быть, выглядела ярко-голубым мраморным шаром, над которым вились отдельные белые облака, но в целом преобладал ультрамарин. (Цвет океана обусловлен простыми законами физики. Солнечный свет, отражаясь от поверхности воды, сочетает все цвета радуги – красные, желтые, зеленые и синие оттенки, но вода сильнее поглощает красную часть спектра, так что нашему зрению преимущественно предстают волны света из синей части спектра.)

А как же суша? Ныне почти треть земной поверхности составляют континенты, но на заре времен, в огненный гадейский период континенты еще не сформировались. Лишь кое-где среди волн первозданного голубого океана вздымались исходящие паром вулканические острова. Их конические очертания и узкие, черные щебнистые осыпи изредка нарушали однообразный водный простор между полюсами и экватором.

Обращаясь мысленно к опоясывающему Землю древнему океану, мы пытаемся вообразить, каким он был. Был ли он горячим? Возможно, в самом начале, учитывая медленно остывающий под ним океан магмы. Был ли он пресным или соленым? Вода современного океана отличается соленостью, но почему бы не предположить, что первоначальный океан на Земле был пресным, поскольку в воде тогда растворилось мало химических элементов, и лишь постепенно обретал нынешнюю соленость. Однако недавние исследования показывают, что горячий первоначальный океан очень быстро стал гораздо более соленым, чем сегодня. Обычная поваренная соль (NaCl) легко растворяется в горячей воде. В наше время около половины запасов соли Земли находится либо в соляных пластах, либо в иных соляных месторождениях на суше, представляя собой остатки испарившейся соленой воды. Большая часть этих соляных месторождений залегает глубоко под землей, но в первые полмиллиарда лет на Земле не было суши, в которой могли бы отложиться запасы соли. Следовательно, уровень солености Мирового океана в те времена по меньшей мере вдвое превышал современный. Более того, в той теплой воде в более высокой концентрации растворялись и другие элементы: железо, магний и кальций – составные части базальта.

Исследователи также предполагают, что гадейский океан мог быть по преимуществу кислотным или щелочным. Решающим фактором в этом вопросе, определяющим уровень pH и солености, является атмосферный углекислый газ. По всем данным, содержание углекислого газа в первоначальной атмосфере Земли в тысячи раз превышало сегодняшний показатель, который составляет около 0,04 % (хотя с каждым годом этот показатель увеличивается). Высокая концентрация CO₂ в гадейской атмосфере означала и гораздо большее его содержание в воде, что должно было сказаться на уровне pH и солености. Углекислый газ, соединяясь с дождевой водой, образует углекислоту H₂CO₃. В океане карбонатный осадок частично распадается на ионы водорода, которые образуют гидронии и бикарбонат (HCO₃). Этот прирост положительных ионов водорода придает океану кислотность, возможно не ниже pH = 5,5. Такой уровень кислотности, в свою очередь, ускорял выветривание базальта и других пород, насыщая и без того соленый океан.