Читать «Зачем нужна геология» онлайн

наше Солнце, имеет важные последствия для климата Земли. Это привело к так называемому «парадоксу молодого слабого Солнца»: если уровень солнечной энергии был в прошлом настолько низким, то почему в геологической летописи нет свидетельств, что планета находилась в замороженном состоянии? Ответ почти наверняка заключается в том, что температуру планеты поддерживали улавливающие тепло парниковые газы, которых в то время в атмосфере было гораздо больше, чем сегодня.

Из всех парниковых газов чаще всего мы слышим об углекислом газе (он же диоксид углерода или двуокись углерода). Его концентрация в атмосфере древней Земли, возможно, была в несколько раз выше сегодняшнего уровня, однако вполне может быть, что важную роль в предотвращении замерзания Земли играл и другой газ, обладающий парниковым эффектом — метан. Как и углекислый газ, метан входит в состав вулканических газов. Однако сегодня большую часть метана, попадающего в атмосферу, производят микробы. Неизвестно, когда стали развиваться эти микроорганизмы, но они имеют древнее происхождение — относятся к археям, самым ранним из известных микробов. Они процветают в условиях нехватки кислорода и, появившись на Земле, стали обильным источником парниковых газов.

Сегодня на Земле метан разрушают различные окислительные реакции: среднее время жизни молекулы в атмосфере — меньше десяти лет. Однако в бескислородных условиях ранней Земли молекулы метана оставались в атмосфере в тысячу раз дольше, и поэтому общие концентрации могли бы достичь гораздо больших величин. В сочетании с высокой концентрацией углекислого газа это могло уберечь планету от замерзания, а может быть, даже делало ее довольно теплой. Когда в атмосфере появился свободный кислород, содержание метана начало уменьшаться, но это падение, видимо, было не резким, поскольку уровень кислорода оставался низким на протяжении всего протерозойского эона.

Бедная кислородом и богатая парниковыми газами атмосфера первых двух миллиардов лет существования Земли влияла на всё — от химии океана до биологической эволюции, климата и выветривания горных пород на поверхности планеты. Однако от нынешнего состояния отличались не только тогдашние океаны и атмосфера. Другой была и суша — особенно природа и рельеф континентов. Найти подтверждения этому еще труднее, чем в случае атмосферы. Некоторые подсказки можно отыскать в тектоническом движении плит — основном геологическом процессе, влияющем сегодня на континенты.

Сохранившихся фрагментов древнейшей континентальной коры Земли немного, они невелики по размеру и сильно метаморфизированы, однако встречаются на всех континентах (карту, показывающую их распределение, см. на рисунке 20). Большинство таких анклавов древней коры содержат породы, в целом похожие на гранит. Мы уже видели, что самое старое на Земле зерно минерала — кристаллик циркона возрастом 4,4 миллиарда лет из Западной Австралии — образовалось внутри какой-то гранитоподобной породы. Сегодня образование гранита тесно связано с тектоникой плит, а значит, это можно считать косвенным подтверждением того, что этот процесс действовал со времен катархейского эона. Когда именно началась современная тектоника плит, вопрос спорный, и мнения геофизиков тут расходятся, однако большинство соглашается, что такой процесс работал к концу архейского эона 2,5 миллиарда лет, а может быть, и раньше. Последние исследования показывают признаки того, что тектоника плит (или, по крайней мере, нечто близкое к современной тектонике) играла определенную роль в формировании поверхности Земли более трех миллиардов лет назад, а возможно, еще раньше в катархее.

Каким образом ранняя тектоника плит формировала поверхность нашей планеты? Были ли тогда горы и долины, сходные с сегодняшними, или все было совсем иначе? К сожалению, геологическая летопись не помогает понять древний рельеф: отчасти потому, что от того времени осталось мало фрагментов коры, отчасти потому, что дожившие до наших дней породы просто не содержат никаких намеков на формы поверхности Земли — или, по крайней мере, геофизики пока ничего не смогли расшифровать. Однако кое-что можно вывести из теоретических соображений и геофизического моделирования. Например, мы знаем, что во время катархейского и архейского эонов Земля была намного горячее, чем сегодня — как из-за своего бурного рождения, сопровождаемого теплом, так и вследствие природного распада радиоактивных изотопов (со временем тепло радиоактивного распада уменьшается по мере радиоактивного распада). Моделирование показывает, что в условиях более высокой температуры литосфера — твердая наружная оболочка Земли — была гораздо менее прочной, чем сейчас.

Менее прочная литосфера не могла бы удержать крупные горные системы вроде Гималаев и Анд. Вероятно, наша планета была более плоской, чем сегодня: горы поднимались на километр-полтора, это меньше высоты Денвера[31]. Сглаженный рельеф означает, что эрозия (которая сильнее всего в регионах с высоким рельефом), возможно, не так активно, как сегодня, разрушала вулканические породы небольших существовавших континентов и преобразовывала их в осадочные породы. Однако частично это могло уравновешиваться повышенным уровнем углекислого газа в атмосфере: из-за него увеличивался уровень кислотных осадков, что приводило к более интенсивному разрушению поверхностных пород.

Несомненно, вы обратили внимание, что в этой главе часто использовались слова «возможно», «вероятно», «может быть». Дело в том, что трудно сказать что-то определенное об условиях и событиях, имевших место миллиарды лет назад. Чем ближе к настоящему, тем более ясны геологические свидетельства. И хотя о катархейском и архейском эонах мы многого не знаем, я надеюсь, эта глава прояснила для вас то, что нам все-таки известно. Сведения, хранимые в горных породах, вкупе с теоретическими выводами показывают, что в конце архея небольшие континенты Земли были невысокими, в атмосфере почти не наблюдалось кислорода, а жизнь существовала только в виде одноклеточных организмов, населявших моря. На бесплодной суше не было ни растений, ни животных, а средние температуры были высокими из-за парникового эффекта, обеспеченного метаном и двуокисью углерода. На поверхность планеты падало смертельное ультрафиолетовое излучение. Прошла почти половина истории Земли, а мир все еще серьезно отличался от того, что мы знаем сегодня.

Глава 5

Блуждающие плиты

До 1960-х годов у геологов были достаточно причудливые представления о том, как образовались крупные горные хребты — например, Альпы или Анды. Особенно их озадачивали гигантские складки, которые показывало геологическое картирование в Альпах: толстые слои осадочных пород, первоначально отложившиеся на дно океана, теперь возвышались на километры выше уровня моря, закручиваясь при этом как свернутый ковер. Это требовало вводить в объяснения непонятные «сжимающие силы» и вертикальные перемещения. Никто не мог точно сказать, как действуют эти таинственные силы. Однако сегодня каждый студент-геолог может подробно рассказать, как тектоника плит связана с горными хребтами и многими другими аспектами топографии планеты. Концепция динамической Земли с толстыми плитами, движущимися и взаимодействующими на ее поверхности, обогатила повседневный язык метафорой для радикальных перемен, когда говорят о