Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Породы отсчитывают время

Помимо нанесенной Дарвину обиды та дискуссия о возрасте Земли причинила серьезный ущерб и самой геологии. Поскольку выводы физики все больше противоречили растущему массиву данных о длительной планетарной истории, в геологическом сообществе распространилась идея, что геология должна порвать с другими науками и использовать собственные, независимые методы научных исследований. Такой тупик в отношениях с физикой хотя отчасти и был объяснимым, но, к сожалению, негативно повлиял на несколько поколений геологов и на десятилетия затормозил развитие геологической науки. Отвращение к физике и недоверие к «чужакам» привели к тому, что геологическое сообщество много лет упорно отрицало теорию дрейфа материков, предложенную в 1915 г. немецким метеорологом Альфредом Вегенером. Вегенер представил убедительные доказательства того, что земные континенты некогда были соединены в один суперконтинент Пангею. Но из-за отсутствия у него геологического образования, вкупе с резким неприятием американцами и британцами всего немецкого во время и после Первой мировой войны, его идеи оставались преданными анафеме в геологических кругах вплоть до 1960-х гг., когда они были возрождены в виде прогрессивной концепции тектоники плит.

Тем не менее в первые годы XX в. именно революция в физике обеспечила инструменты, которые позволили вывести заплутавшую геологию из викторианского лабиринта. Всего десятилетие спустя после случайного открытия Антуаном Анри Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности этот феномен уже был использован для определения возраста горных пород. К 1902 г. исследования Марии Кюри в Париже и Эрнеста Резерфорда в Кембридже показали, что радиоактивный распад является своего рода природным алхимическим процессом, в ходе которого некоторые элементы (например, уран) самопроизвольно испускают энергию и в результате превращаются в другие элементы (например, свинец) и это происходит с постоянной скоростью, пропорциональной оставшемуся количеству исходного элемента. Сейчас нам известно, что химические элементы, которые определяются количеством протонов в ядре, могут иметь разное количество нейтронов — такие разновидности элементов были названы изотопами — и что разные материнские изотопы могут испытывать разные виды распада с образованием разных дочерних изотопов других элементов. Но на заре XX в. структура атома еще не была известна: атомное ядро было открыто Резерфордом только в 1911 г., а изотопы — еще несколько лет спустя.

В 1903 г. Резерфорд доказал, что процесс радиоактивного распада следует экспоненциальному закону, и это сразу натолкнуло его на мысль, что данный процесс можно использовать как естественные часы для определения возраста урансодержащих пород. В 1908 г. (всего через год после смерти лорда Кельвина) одаренный 18-летний студент-физик лондонского Имперского колледжа Артур Холмс заинтересовался этой идеей и решил предпринять амбициозный проект по определению абсолютных геологических дат[11]. Холмс начал собирать образцы горных пород, содержащих определенные минералы, особенно циркон, которые, как было известно, при своей кристаллизации могли включать в кристаллическую решетку только атомы урана (U), но не свинца (Pb). Затем он измерял относительные концентрации урана и свинца в таком минерале и, используя закон радиоактивного распада Резерфорда, который количественно описывал зависимость радиоактивности от времени, рассчитывал время, прошедшее с момента кристаллизации минерала[12].

С математической точки зрения эти расчеты на удивление просты и требуют знания всего двух чисел: (1) соотношения дочернего и материнского элементов (Pb: U), которое растет вместе с увеличением возраста породы и не зависит от первоначального (неизвестного) количества исходного материала (табл. 2. 1) и (2) постоянной распада материнского элемента, которая, по существу, является вероятностью распада каждого отдельного атома за определенное время, что можно сравнить с шансами человека выиграть в лотерею в отдельно взятом году. Таким образом, постоянная распада измеряется в единицах времени t-1 (или 1/t). Резерфорд вычислил постоянную распада урана на основе измерения количества радиоактивного излучения, испускаемого определенной массой урана за данный интервал времени. Постоянная распада также обратно пропорциональна более знакомой величине — периоду полураспада, т. е. времени, за которое половина материнского вещества распадается, превращаясь в дочернее вещество. Другими словами, низкое значение постоянной распада (низкая вероятность выигрыша в лотерее) означает длительный период полураспада (очень нескорый выигрыш), и, наоборот, высокое значение этой константы означает короткий полураспад (быстрое обогащение).

К 1911 г., несмотря на все еще недостаточное понимание явления радиоактивности и примитивное лабораторное оборудование, Артур Холмс определил абсолютный возраст полудюжины магматических пород, чьи взаимоотношения с осадочными слоями позволяли определить диапазоны их относительного возраста на геохронологической шкале, основанной на ископаемых остатках. Три образца пород относились к хорошо охарактеризованному окаменелостями палеозою и еще три — к хронологически темному, недифференцированному докембрию. Хотя на тот момент не было известно, что свинец образуется в результате распада не только урана, но и еще одного радиоактивного элемента — тория, вычисленные Холмсом даты были на удивление близки к современным оценкам (в пределах десятков миллионов лет).

Самой первой породой, исследованной Холмсом, был гранит из Норвегии, который (как предполагалось на основе его секущих взаимоотношений с толщей осадочных слоев, богатых ископаемыми остатками) образовался в девонском периоде. Радиоактивный анализ показал, что возраст этого гранита составляет приблизительно 370 млн лет — в 18 раз больше, чем возраст Земли, согласно оценке лорда Кельвина. А возраст докембрийского метаморфического гнейса с Цейлона (ныне остров Шри-Ланка) оказался равным 1,64 млрд лет, т. е. на целых два порядке больше, чем упомянутая оценка. Интуитивная догадка Дарвина была полностью реабилитирована. Долго господствовавшие кельвиновские декларации мгновенно потеряли свое значение, поскольку радиоактивность не только дала возможность непосредственно измерить абсолютный возраст пород, но и оказалась важным источником внутреннего тепла, не учтенного Кельвином в его расчетах скорости охлаждения планеты. (Годы спустя Холмс оспорит еще одно фундаментальное предположение Кельвина, утверждая, что Земля остывает в результате действия не столько кондуктивного, сколько конвективного механизма теплообмена.) Со временем Холмс был признан одним из наиболее выдающихся геологов XX в. Самым важным было то, что созданная им абсолютная геохронологическая шкала, пусть и не совсем точная, теперь могла быть откалибрована. Даже самые отдаленные глубины геологического времени оказались доступны для измерения. С этого момента докембрий перестает быть белым пятном, недоступным для человеческого познания.

Обычные осадки

На самом деле становление новой науки геохронологии (буквально «учения о геологическом времени») заняло еще не один десяток лет. Использование радиоактивных изотопов как высокоточных геологических часов стало возможным лишь благодаря прогрессу в ядерной физике, космохимии (которая в том числе изучает звездное происхождение земных химических элементов), петрологии (изучающей магматические и метаморфические породы), минералогии, а также благодаря разработке новых аналитических приборов, в частности масс-спектрометров, способных различать разные изотопы одного элемента и измерять их концентрацию. Одна из нетривиальных проблем заключалась в том, что геохронологическая шкала, столь кропотливо составленная геологами Викторианской эпохи с использованием ископаемых органических остатков, была полностью основана на осадочных породах. Любые получаемые изотопные датировки отражали не возраст самих осадочных отложений, а время кристаллизации предшествовавших магматических или метаморфических пород, ставших впоследствии источником обломочного материала изучаемых осадков. Таким образом, установление абсолютных датировок для основанной на палеонтологических данных стратиграфической шкалы потребовало поиска «удачных» обнажений (выходов на поверхность коренных горных пород), в разрезах которых осадочные породы с четко определенным биостратиграфическим возрастом переслаивались бы с магматическими породами или прорывались последними, что позволило бы непосредственно связать изотопный возраст этих магматических пород со временем, отвечающим образованию ископаемых остатков (рис. 4). Для этой цели идеально подходят слои вулканического пепла, поскольку они сложены неизмененными кристаллами магматического происхождения, осаждение которых из атмосферы происходило в геологическом отношении практически мгновенно, и перемежаются с палеонтологически охарактеризованными осадочными породами.

Слои пепла в толще осадочных пород дают нам общее представление о том, как формировалась каменная летопись прошлого Земли. Глядя на слоистые породы, например на невероятные по красоте стены Большого каньона, можно подумать, что каждый слой образуется наподобие снежного покрова, который покрывает всю данную область за один четко определенный отрезок времени. Но так происходит далеко не всегда. Возьмем, например, красивый, белый, почти чисто кварцевый песчаник Сент-Питер ордовикского возраста, выходящий на поверхность вдоль речных долин в Миннесоте, Айове, Висконсине и на севере Иллинойса, а также образующий живописную чашу водопада Миннехаха близ Миннеаполиса. На протяжении десятилетий эти песчаники служили источником кремнезема для производства оконного стекла на заводе «Форд» в городе Сент-Пол. Во времена сухого закона естественные полости в песчаниках этой формации вдоль реки Миссисипи были превращены в систему пещер под агломерацией городов-близнецов (Миннеаполиса и Сент-Пола), где размещались тайные склады алкоголя и подпольные бары.

Песчаник Сент-Питер представляет собой хрупкую, мало похожую на «камень» породу, и, когда она распадается в ваших руках на однородные округлые зерна, легко увидеть, что это древний пляжный песок. Однако песчаники Сент-Питер выходят на поверхность на территории четырех штатов и, как показывают результаты бурения, продолжаются на глубине под Мичиганом, Индианой и Огайо. Ни один пляж не мог бы покрывать такую огромную территорию в отдельно взятый момент времени. В действительности формация Сент-Питер образовалась в результате постепенной миграции пляжей по поверхности земли, по мере того как древние мелководные моря то покрывали эти территории, то отступали с них на протяжении миллионов лет. Однажды в ордовике в зарождающихся Аппалачах, в сотнях километров отсюда, произошло извержение супервулкана, и наполнившие атмосферу облака вулканического пепла осели на моря Мидконтинента, оставив по всему этому региону тонкий слой зеленоватой глины, как если бы это была точно датированная дневниковая запись. В некоторых местах данный пепловый слой встречается вблизи кровли формации Сент-Питер, но на остальных участках песчаники данной формации залегают намного ниже этого пеплового уровня, будучи погребенными под толщей других отложений задолго до извержения вулкана. Это говорит о том, что возраст песчаников Сент-Питер, несмотря на то что слой этих безошибочно диагностируемых пород непрерывно прослеживается на сотни километров, не является одинаковым на всем его протяжении. Обобщая, можно сказать, что, за исключением слоев, которые маркируют внезапные региональные или глобальные события, такие как мощное извержение вулкана или удар крупного метеорита, регионально распространенные осадочные толщи не являются строго изохронными, т. е. сформированными в один и тот же момент времени. Напротив, они отражают медленное перемещение обстановок осадконакопления по поверхности Земли во времени по мере изменения уровня моря и условий окружающей среды. Выражаясь геологическим языком, такие стратиграфические подразделения являются диахронными, т. е. они пересекают время.

Бюрократы времени

В наши дни геохронологическая шкала — не просто таблица или даже многотомный фолиант, а гигантская цифровая база данных, которая находится в ведении Международной комиссии по стратиграфии (International Commissionon Stratigraphy, ICS) — самого старого и самого важного органа Международного союза геологических наук. Эта комиссия устанавливает строгие правила в отношении геологических подразделений и их ограничений, а также занимается скрупулезной каталогизацией обнажений, формаций пород, ископаемых органических остатков, изотопных датировок, геохимических данных и аналитических протоколов, ведя постоянную работу по картированию геологического времени со все более высоким разрешением.

С 1970-х гг. ICS занимается поиском по всему миру конкретных участков, которые могут служить международными стандартами для определения границ между всеми подразделениями геохронологической шкалы. Среди геологов такие участки, официально именуемые глобальными стратотипическими разрезами и точками (ГСРТ) (Global Boundary Stratotype Sections and Points, GSSP), известны как «золотые гвозди». На этих участках должны присутствовать хорошо обнаженные породы, содержащие диагностические в биостратиграфическом отношении ископаемые органические остатки, относящиеся к двум смежным интервалам геологического времени. Кроме того, такие участки должны быть защищены от разрушения человеком или природой. Местонахождение конкретного слоя, выбранного в качестве границы в данном разрезе GSSP, часто описывается весьма своеобразно, с упоминанием очаровательных подробностей. Например, обнажение, в котором зафиксирован «золотой гвоздь», отмечающий стратотипическую границу сеноманского яруса верхнего мела, находится высоко во Французских Альпах «в 36 метрах ниже кровли формации Марн-Блё (Голубые мергели) на южном склоне горы Мон-Ризу»[13].

Первоначальное подразделение геохронологической шкалы на эоны, эры и периоды было осуществлено в основном британскими геологами в XIX в., поэтому названия периодов палеозоя в наибольшей степени отражают именно это географическое влияние: название кембрийского периода происходит от латинского наименования Уэльса (Cambria), девонского периода — от графства Девоншир, родины британской церемонии чаепития, название каменноугольного периода, или карбона, происходит от богатых пластов каменного угля на севере Англии. Но дальнейшее деление геохронологической шкалы на более мелкие подразделения — эпохи и века — в полной мере отражает уже международный характер усилий по картографированию геологического времени: цзяншанский (Jiangshanian) и гужангинский (Guzhangian) века в кембрии; эйфельский и пражский века в девоне, московский и башкирский века в карбоне. Международная комиссия по стратиграфии — это своего рода временной аналог Организации Объединенных Наций, глобальная ассамблея хранителей геологического времени.

И эта комиссия, подчас с излишней нервозностью, настаивает на сохранении тонкого, но важного различия между геохронологической и стратиграфической шкалой — между геологическим временем и его хроникой, зафиксированной в слоях горных пород. Геологическое время подразделяется на эоны, эры, периоды, эпохи и века, а соответствующие этим подразделениям породы — на эонотемы, эратемы, системы, отделы (серии) и ярусы. Точно так же, имея в виду геологическое время, следует говорить, например, «ранний» или «поздний» ордовик, но о соответствующих слоях пород следует говорить только «нижний» или «верхний». Время (хронос) может течь без камней (наполняющих его кайросом), но камни не могут существовать вне времени. Однако время исчезает, а камни остаются.

Уран-свинцовые часы

Первая попытка Артура Холмса определить абсолютный возраст пород, предпринятая еще до того, как было открыто строение атома и существование изотопов, была подобна интуитивной догадке Дарвина о существовании феномена наследственности, намного опередившей открытие генов и ДНК. В обоих случаях прошли годы, прежде чем остальная наука смогла в полной мере осознать и развить все следствия, вытекающие из их провидческих идей. Только к 1930-м гг. стала в полной мере понятна сложная геохимия изотопов свинца. В 1929 г. Эрнест Резерфорд установил, что два разных материнских изотопа урана, 238U и 235U, имеют разные периоды полураспада (4,47 млрд и 710 млн лет соответственно) и в результате радиоактивного распада превращаются в два разных изотопа свинца — 206Pb и 207Pb. Вскоре после этого Альфред Нир, физик из Миннесотского университета, открыл еще один изотоп свинца — 204Pb, имеющий не радиогенное происхождение, т. е. этот свинец изначально был свинцом и не являлся продуктом радиоактивного распада. Нир также разработал основной инструмент изотопного анализа — масс-спектрометр, который позволяет разделять и сортировать изотопы одного элемента на основе их атомного веса.

Сделанные открытия натолкнули Нира на мысль, что эти три изотопа свинца можно использовать для датировки горных пород и даже для определения возраста самой Земли, поскольку на протяжении всего геологического времени количество изотопов 206Pb и 207Pb должно было увеличиваться математически предсказуемым образом, а абсолютное количество нерадиогенного 204Pb оставаться постоянным. Более конкретно: из-за сравнительно короткого периода полураспада 235U запасы 207Pb на раннем этапе истории Земли должны были расти быстрыми темпами, но затем скорость их роста должна была сгладиться — как совокупный доход на сберегательном счете с высокой процентной ставкой, с которого с первых же дней снимали значительные средства. В то же время вследствие гораздо более длительного периода полураспада 238U глобальные запасы 206Pb продолжали бы накапливаться — как доход на сберегательном счете с низкой процентной ставкой, но с более медленным снятием средств. Используя ту же метафору, запасы изотопа 204Pb можно сравнить с деньгами, спрятанными под матрацем. В 1940 г. Нир и его ученики собирались применить эту идею на практике для датирования геологических образцов, но им пришлось остановить работу, поскольку Энрико Ферми попросил Альфреда Нира, сына немецких иммигрантов, присоединиться к Манхэттенскому проекту. Ученым требовалось отделить делящийся изотоп 235U от слаборадиоактивного 238U, и масс-спектрометр Нира был единственным инструментом, позволяющим различить эти два изотопа[14]. Ниру пришлось переориентировать свою лабораторию с изучения геологического прошлого на проблемы неопределенного будущего.

Однако сразу же после войны Нир вернулся к своей идее и занялся измерением соотношений изотопов Pb в залежах галенита (сульфида свинца, PbS, — первичной свинцовой руды) различного возраста, расположенных в самых разных точках мира. Галенит по определению содержит много свинца, но этот свинец не захватывает уран при кристаллизации минерала. Это означает, что соотношения изотопов свинца в галените не меняются с течением времени и должны отражать ту конкретную смесь изотопов свинца, которая существовала в окружающей среде на момент образования минерала. Как и предсказывал Нир, образцы более древних руд имели более низкие соотношения 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb (соотношения свинца «с процентного счета» и свинца «из-под матраца»). Этих соотношений могло бы быть достаточно, чтобы определить возраст Земли, если бы изначально на нашей планете отсутствовали изотопы 207Pb и 206Pb. Но Нир знал, что в момент своего образования Земля почти неизбежно унаследовала какое-то количество радиогенного свинца, накопившегося на «банковских счетах» более древних космических объектов. Следовательно, чтобы вычислить возраст Земли, требовалось каким-то образом определить изначально существовавшие соотношения различных изотопов свинца в том строительном материале.

Кроме того, Нир увидел еще одну скрытую проблему: ни один, даже самый древний образец галенита не может отражать изначального состояния всей Земли в целом. Земля — не единый резервуар, где все смешивается в однородный общепланетарный геохимический коктейль. Как раз наоборот, ее структура с течением времени становилась все более неоднородной. Вскоре после своего рождения наша планета дифференцировалась на железо-никелевое ядро и каменную мантию, в которую перешла бóльшая часть остальных веществ, включая практически весь земной уран. С тех пор многократно повторяющийся процесс частичного плавления мантии с подъемом более легких пород на поверхность привел к образованию земной коры, которая оказалась гораздо богаче ураном, чем Земля в целом или ее мантия, подобно тому как более легкий молочный жир концентрируется в верхней части бутылки с молоком в виде сливок. Нир предположил, что, тогда как полученные им данные по изотопам свинца в целом соответствовали ожидаемой модели, некоторые из изученных образцов могли ассимилировать дополнительный радиогенный свинец (207Pb и 206Pb), образованный в результате распада «избыточного» урана в земной коре, и, таким образом, неточно отражали эволюцию изотопов свинца в масштабах всей планеты.

Артур Холмс, который к концу 1940-х гг. стал профессором геологии в Эдинбургском университете и переключил свое внимание на другие важные проблемы геологии (такие как движущие силы, стоящие за образованием гор), продолжал тем не менее пристально следить за работой Нира по определению возраста Земли. Его особенно заинтересовал один из изученных Ниром специфических образцов — галенит из очень древней толщи пород в Гренландии, имевший крайне низкие концентрации урана и низкие отношения изотопов свинца. Холмс, который отличался склонностью к широким умозаключениям и оценочным расчетам, оказался готов, в отличие от щепетильного Нира, сделать предположение, что соотношения свинцовых изотопов в этом гренландском галените могут быть очень близки к их изначальным соотношениям в недифференцированном веществе Земли. С теоретической точки зрения определить возраст Земли на основе этих данных представлялось несложным: нужно было всего лишь рассчитать, сколько понадобилось бы времени, чтобы изотопные отношения изменились с этого изначального стартового уровня до значений, обнаруживаемых в более молодых залежах галенита. Но на практике вычисления оказались настолько сложными, что Холмсу пришлось приобрести механическую счетную машину. Спустя месяцы трудоемких расчетов Холмс опубликовал свою оценку минимального возраста Земли: 3,35 млрд лет[15]. Наконец-то геологи могли успокоиться: у земной истории было изобилие времени.

Но эта временна́я оценка породила новый конфликт — на этот раз с астрофизиками. Согласно теории Большого взрыва и расширения Вселенной, получившей признание в научном сообществе с конца 1920-х гг. благодаря наблюдениям Эдвина Хаббла за красным смещением галактик, возраст Вселенной можно определить поразительно просто — почти элементарно по сравнению с выполненными Холмсом расчетами возраста Земли на основе изотопов свинца. Для этого требовалось построить график зависимости между скоростью (расстояние/время) удаления галактик и звезд от Земли и расстоянием до этих объектов. Наклон этой линии называется постоянная Хаббла, и величина, обратная этой постоянной, отражает время, прошедшее с начала расширения, т. е. возраст Вселенной. В 1946 г., когда Холмс объявил, что возраст Земли должен быть более 3 млрд лет, возраст Вселенной, по оценкам астрофизиков, составлял только 1,8 млрд лет[16].

Геохимики перехватывают инициативу

Это смущающее расхождение между геологическим и астрономическим временем оставалось неразрешенным почти целое десятилетие, пока астрофизики не уточнили свои оценки космологических расстояний и не открыли еще более удаленные галактики, что позволило им уменьшить общепринятое значение постоянной Хаббла и существенно увеличить возраст Вселенной. Между тем в 1948 г. талантливый аспирант Чикагского университета Клэр Паттерсон решил применить новый оригинальный подход к определению возраста Земли. К тому времени стало очевидно, что на Земле не сохранились первозданные породы, которые отражали бы изначальное состояние земной коры. Артур Холмс использовал соотношение свинцовых изотопов в древнем гренландском галените как лучшее из доступных приближений к изначальным значениям, но Паттерсон нашел более надежный источник информации — внеземные породы, т. е. метеориты.

Метеориты представляют собой протопланетный строительный материал и остатки разрушенных планет, которые некогда сформировались одновременно с Землей и остальной частью Солнечной системы. В отличие от земных пород, которые находятся в процессе постоянного изменения и перерождения в результате выветривания, эрозии, метаморфизма и плавления, большинство метеоритов не претерпели никаких трансформаций в космическом вакууме с момента образования Солнца и планет. Под их тонкой оболочкой, приобретенной в результате прохода через атмосферу или пребывания на поверхности Земли, скрывается нетронутый материал, несущий отпечаток самых ранних дней Солнечной системы.

Паттерсон предположил, что железные метеориты, содержащие свинец, но практически не содержащие уран, отражают первичный состав изотопов свинца, присутствовавший в зарождающейся Солнечной системе. А каменные метеориты, содержащие свинец и уран, позволяют более точно, чем любая земная порода, расcчитать среднее содержание этих элементов в современной земной коре (напоминающей хорошо перемешанный молочный коктейль). Подход Паттерсона состоял в том, чтобы измерить первичное и современное соотношения изотопов свинца, представленные в этих двух видах метеоритов, а затем повторить расчеты Холмса (рис. 5).

И снова в теории идея казалась простой, но на практике потребовала титанических усилий. Паттерсону понадобилось почти восемь лет, чтобы только собрать и проанализировать образцы метеоритов. Он столкнулся с неожиданными сложностями: ему никак не удавалось получить в достаточной степени согласующиеся результаты измерений изотопов свинца в дублирующих пробах, чтобы провести заслуживающие доверия расчеты. Тщательно изучив свой метод анализа на предмет возможных ошибок, он в конце концов понял причину проблемы: оказалось, что образцы метеоритов уже до проведения анализов загрязнялись свинцом, в больших количествах присутствующим в окружающей среде — в воздухе, на рабочих поверхностях и приборах, на одежде и коже исследователей. За эти восемь лет, работая в Калифорнийском технологическом институте и в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, Паттерсон создал первую в мире «стерильную лабораторию» со сложной системой очистки воздуха и вентиляции (сегодня такие лаборатории являются неотъемлемым атрибутом многих научных и медицинских исследовательских учреждений). В 1956 г. он наконец-то получил цифру, которая по сей день остается общепризнанным возрастом Земли: 4,55 млрд ±70 млн лет[17]. (Теперь Дарвин может покоиться с миром!) Успешно завершив двухсотлетние поиски святого Грааля, которые велись геологами и физиками со времен Геттона, Паттерсон в возрасте 31 года оставил академическую науку и посвятил остаток своей жизни крестовому подходу за запрет использования свинца (об опасных нейротоксических свойствах которого к тому времени уже было известно) в красках, игрушках, жестяных банках для продуктов питания и бензине. Казалось бы, такое научное достижение, как определение возраста нашей планеты, более чем достойно Нобелевской премии, но геологии даже нет в списке номинаций. Незадолго до своей смерти в 1995 г. Паттерсон получил престижную Премию Тайлера за достижения в области охраны окружающей среды, но я считаю это недостаточным признанием для парнишки из небольшого городка в Айове, не побоявшегося противостоять таким гигантам, как Кельвин, Хаббл и крупные нефтяные компании.

Геохронология достигает научной зрелости

После новаторских работ Нира, Холмса, Паттерсона и других ученых геохронология — научная дисциплина, занимающаяся определением возраста геологических материалов, — значительно расширила арсенал своих методов исследования, ранее включавший только уран-свинцовый анализ. В природе встречаются 92 элемента и тысячи их изотопов, большинство из которых радиоактивны (всего 254 из них стабильны). Но не все радиоактивные изотопы могут служить счетчиками геологического времени. Во-первых, период полураспада изотопа должен соответствовать продолжительности измеряемого времени. У многих же изотопов он составляет несколько дней или даже секунд, поэтому использовать их для измерения геологического времени — все равно что пытаться измерить Аляскинскую трассу 30-сантиметровой линейкой. Кроме того, вследствие экспоненциального характера процесса радиоактивности, когда за каждый период полураспада распадается половина материнского вещества, после 10 периодов полураспада в материале почти не останется материнских изотопов, независимо от того, сколько их было изначально (аналогично тому, как даже самый большой лист бумаги можно сложить пополам лишь определенное количество раз). Во-вторых, материнский изотоп должен присутствовать в датируемой породе или минерале в достаточно высокой концентрации, чтобы его можно было измерить, а также чтобы произвести измеримое количество дочернего изотопа. Конечно, понятие измеримости со временем меняется — по мере того, как прогресс в приборостроении позволяет обнаруживать элементы в минералах даже в очень низких концентрациях, измеряемых миллиардными и триллионными долями (ppb и ppt){5}.

В-третьих, дочерний элемент в идеале не должен присутствовать в минерале на момент кристаллизации — с которого начинается отсчет времени на изотопных часах, — чтобы гарантировать, что все количество дочернего изотопа в образце было образовано в результате радиоактивного распада материнского вещества после того, как кристалл стал закрытой системой. За этим стоит та же логика, что и за ненавистным студентам требованием использовать на экзаменах «голубые тетради», которое гарантирует, что все ответы на тест были написаны после того, как они вошли в класс и закрыли за собой дверь. (Разумеется, существуют математические методы, позволяющие ввести поправку на первоначальное количество дочернего изотопа, — точно так же, как опытный преподаватель может обнаружить мошенничество на экзамене.)

Наконец, в-четвертых, дочерние изотопы должны удерживаться в кристаллах, даже несмотря на то, что они обычно становятся «чужаками» в этой системе. Материнский атом со своим конкретным диаметром и электрическим зарядом занимает в кристаллической решетке строго определенное место, где он чувствует себя абсолютно комфортно и гармонично связан с соседними атомами. Но после того, как материнский атом в результате радиоактивного распада превращается в дочерний — совершенно другой элемент с другим размером атома, другими химическими свойствами, он перестает вписываться в гармоничную кристаллическую систему. Чувствуя себя дискомфортно в родительском доме, дочерние изотопы зачастую стараются сбежать из кристалла, как только предоставляется такая возможность, что чаще всего происходит в какой-то момент геологической истории при нагревании породы, открывающем кристаллическую решетку для диффузии. Поскольку соотношение дочерних и материнских изотопов является основой для определения возраста пород (табл. 2. 1), любая потеря дочерних изотопов ведет к тому, что образец будет казаться моложе своих лет.

Из-за всех этих ограничительных критериев существует всего с десяток подходящих изотопных пар (включающих материнский и дочерний изотопы), которые могут быть использованы для датирования пород (табл. 2. 2). Эти материнские изотопы были унаследованы Землей при своем формировании от предшествующих звезд и планет, и некоторые из них имеют непостижимо долгие периоды полураспада. Так, период полураспада рубидия-87 (87Rb) составляет 49 млрд лет, что намного больше не только возраста Земли, но и возраста всей Вселенной (который сейчас, после пересмотра постоянной Хаббла, оценивается примерно в 14 млрд лет). Никакого противоречия тут нет — это просто означает, что с момента образования Земли истекла всего десятая часть периода полураспада 87Rb, поэтому лишь малая часть изначального 87Rb превратилась в стронций-87 (87Sr). Но, поскольку рубидий является типичным рассеянным элементом, присутствующим во многих минералах, оба изотопа, 87Rb и 87Sr, встречаются в достаточно высоких концентрациях, что делает возможным их количественное определение для целей радиоизотопного датирования пород.

Некоторые породы, например гранит, содержат два или более минералов, каждый из которых может быть датирован на основе своей изотопной системы «материнский изотоп — дочерний изотоп», и нередко анализ этих минералов показывает разный возраст. Это еще одно геологическое наблюдение, на которое любят ссылаться креационисты-младоземельцы как на якобы опровергающее существующую геохронологическую шкалу. На самом деле было бы странным как раз обратное: если бы все минералы в магматических породах, таких как гранит, которые образуются в результате медленного остывания магмы на большой глубине, имели одинаковый изотопный возраст. Дело в том, что температура закрытия, т. е. температура, при которой кристаллические «двери» закрываются для диффузии, неодинакова для разных материнских элементов в разных видах минералов. Знание конкретных температур закрытия позволяет детально реконструировать историю застывания глубинных магматических тел — плутонов (или плутонических массивов), названных так в честь Плутона, древнеримского бога Подземного мира. Например, комбинированное датирование минералов из гранитов Туолумне в Йосемитском национальном парке на основе изотопных пар U — Pb, Rb — Sr и K — Ar показывает, что те оставались при температуре свыше 350 °C на протяжении более 3 млн лет[18]. Эти граниты, ныне образующие величественные пики горного хребта Сьерра-Невада, некогда были гранитной магмой в магматических бассейнах, питавших мощные вулканы юрского периода (с тех пор стертые с лица Земли всесильной эрозией). Понимание того, как долго может сохранять активность магматическая система, помогает предсказать извержения современных вулканов, таких как Йеллоустоунская кальдера, где многочисленные грязевые котлы и гейзеры свидетельствуют о неспокойствии в Подземном мире.

Радиоуглеродное датирование

Самый известный изотоп, используемый сегодня для датирования, — углерод-14 (14C). Этот изотоп необычен во многих отношениях и отличается от других материнских изотопов по ряду важных аспектов. Имея чрезвычайно короткий период полураспада — всего в 5730 лет, он непригоден для датирования чего-либо старше примерно 60 000 лет (поэтому его применение в геологии ограничено), и за 4,5 млрд лет на Земле не осталось первичного 14С. Этот изотоп имеет космогенное происхождение и постоянно образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей — потока высокоэнергетических заряженных частиц, прилетающих из далекого космоса. Считается, что основным источником космических лучей являются вспышки сверхновых — так астрономы называют грандиозные, феерические взрывы старых массивных звезд в конце эволюционного цикла (в процессе чего происходит выброс элементов и изотопов, впоследствии становящихся строительным материалом для новых планет). Именно для того, чтобы предотвратить негативное долгосрочное воздействие этой естественной космической радиации, для пилотов и стюардесс вводятся ограничения на годовое количество дальнемагистральных рейсов на большой высоте.

Углерод-14 образуется в результате столкновения атомов азота-14 (14N) в верхних слоях атмосферы с прилетающими из космоса высокоэнергетическими частицами, которые выбивают из ядра азота протон. Часть образовавшегося в результате изотопа 14C опускается на поверхность Земли и в процессе фотосинтеза поглощается растениями и водорослями, откуда, в свою очередь, в виде органических соединений попадает в питающиеся ими организмы, такие как грибы, все виды животных и люди в том числе. Пока растение или животное живет, дышит, фотосинтезирует или ест, относительное содержание находящихся внутри него изотопов углерода (стабильных 12C и 13C и радиоактивного 14C) соответствует их содержанию в окружающей среде. Но, когда организм умирает, углеродный обмен с внешней средой прекращается, и с этого момента количество стабильных изотопов углерода остается неизменным, тогда как радиоактивный 14C постепенно распадается, и его содержание в останках уменьшается. В отличие от других методов изотопного датирования, в которых для определения возраста образца используется соотношение дочерних и материнских изотопов, радиоуглеродный возраст рассчитывается на основе активности присутствующего радиоуглерода — она определяется как число распадов в единицу времени на грамм углерода. Это объясняется просто: изотоп 14C распадается с образованием азота 14N — газа, который быстро улетучивается из образца.

Радиоуглеродный анализ является важнейшим инструментом в археологических и исторических исследованиях и может быть использован для датирования широкого спектра образцов, содержащих биогенный углерод, включая дерево, кости, слоновую кость, семена, раковины, лен, хлопок, бумагу, торф и многое другое. Можно датировать даже океанскую воду благодаря содержанию в ней небольшого количества растворенного углекислого газа. Так, радиоуглеродный анализ показал, что возраст воды в глубинных слоях в северной части Тихого океана составляет около 1500 лет[19] — это означает, что эти воды не взаимодействовали с атмосферой со времен рождения пророка Мухаммеда.

Однако, по сравнению с методами определения геологического возраста, радиоуглеродному методу присуща относительно большая неопределенность, связанная с варьированием скорости образования 14C в верхних слоях атмосферы с течением времени, что зависит от ряда факторов, в том числе от флуктуаций геомагнитного поля, которое частично защищает нашу планету от бомбардировки космическими лучами. Чтобы откалибровать радиоуглеродные датировки с учетом этого варьирования, ученые обращаются к незатейливому, но весьма надежному хронометру — годовым кольцам на деревьях: благодаря тому, что в каждом году только внешняя часть дерева активно обменивается углеродом с окружающей средой, каждое кольцо имеет свой радиоуглеродный возраст. Соотнося данные по самым старым кольцам в живых деревьях с данными по самым молодым кольцам в древних деревьях, сохранившихся в болотах, а также найденных в местах археологических раскопок, ученые сумели продлить эту дендрохронологическую летопись на 10 000 лет в прошлое и теперь используют ее для уточнения радиоуглеродного анализа. Кольца роста в кораллах (состоящих из кальцита, CaCO₃) дают менее точные исторические данные по 14C, чем кольца деревьев, но позволяют откалибровать радиоуглеродные датировки еще дальше в прошлое. Тем не менее неопределенность для датировок на основе 14C остается довольно высокой — порядка сотен и даже тысяч лет (от 5 до 10 % фактического возраста).

Люди также сыграли свою роль, добавив сложности радиоуглеродному датированию. Во-первых, надземные ядерные испытания в начале холодной войны привели к интенсивному образованию в атмосфере углерода-14 — пик, который нужно обязательно учитывать при датировании современных образцов. Вот почему радиоуглеродный возраст обычно измеряется в «годах до 1950 г.». Во-вторых, за столетие интенсивного сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выброшено огромное количество «мертвого» углерода, что отразилось на изотопном составе атмосферного углерода. Это явление получило название эффекта Зюсса по имени австрийского физика Ганса Зюсса, который впервые описал его в 1955 г.[20] (и который во время Второй мировой войны принимал участие в германской ядерной программе, гитлеровском аналоге Манхэттенского проекта в США). В то время как углерод 14C, образовавшийся в результате ядерных испытаний, постепенно рассеивается, эффект Зюсса только продолжает нарастать.

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[21]. 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)[22]. 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[23].

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.[24]

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.

Базальты Земли

Первоначальное прозрение Геттона о бесконечно долгом времени существования Земли по сравнению с человеческой жизнью проистекало из осознания им того, что несогласное взаимоотношение пластов на мысе Сиккар-Пойнт отвечало огромному промежутку времени, требующемуся для формирования горного хребта и его последующего постепенного превращения снова в плоскую равнину. Но какова продолжительность этого промежутка? О том, какие силы стоят за горообразованием, науке стало известно лишь спустя 175 лет после смерти Геттона — примерно во времена появления острова Сюртсей в начале 1960-х гг., когда теория тектоники плит наконец-то объяснила, что происходит в твердой оболочке Земли. Сегодня мы понимаем, что темп горообразования в конечном итоге определяется процессами формирования и разрушения океанической коры.

В отличие от континентальной коры, представляющей собой мешанину из множества блоков пород различных типов, разного возраста и с разной историей, океаническая кора проста и однородна. Она полностью состоит из базальта — черной вулканической породы, из которой был образован остров Сюртсей, и все эти базальты имеют одинаковое происхождение. Они образовались в результате частичного плавления земной мантии под подводными вулканическими рифтами, отмеченными на поверхности океанического дна высокими срединно-океаническими хребтами. Вопреки причудливой фантазии авторов художественной литературы и фильмов, мантия (составляющая более 80 % всего объема Земли) представляет собой не котел с расплавленной бурлящей магмой, а твердую породу, которая, впрочем, медленно течет в геологическом масштабе времени. Каждые несколько сотен миллионов лет вещество мантии полностью переворачивается, подобно содержимому гигантской лавовой лампы, через процесс тепловой конвекции: более горячая, плавучая мантийная порода поднимается из глубины к поверхности, а более холодная и плотная порода опускается вниз. Мантийная конвекция является основным механизмом планетарной потери тепла (вопреки ошибочному предположению лорда Кельвина о том, что мантия статична, а Земля остывает на протяжении своей жизни вследствие кондукции). Одним из первых, кто в 1930-е гг. предположил существование конвекции в мантии, был Артур Холмс. Современные эксперименты по моделированию поведения минералов под высоким давлением в мантийных глубинах подтвердили, что конвекция пород в недрах Земли неизбежна.

Считается, что срединно-океанические хребты соответствуют зонам конвективного апвеллинга (восходящего потока мантийного вещества), где земная кора растягивается и делается тоньше над поднимающимся плюмом (мантийным потоком) горячей породы. Как это ни парадоксально, но плавление начинается только тогда, когда порода поднимается вверх и теряет бóльшую часть своего тепла. Что же заставляет твердую мантийную породу плавиться при приближении к поверхности? Вопреки интуитивной логике, это вызвано не поступлением тепла, а снижением давления. В отличие от воды, аномального во всех отношениях вещества, которое, однако, формирует наши представления о фазовых переходах, твердые породы ведут себя так, как и положено нормальному веществу: при плавлении они расширяются, при охлаждении сжимаются. Это означает, что, если порода, находясь на некой глубине в земной мантии, близка к своей температуре плавления и по какой-то причине (например, в результате подъема к поверхности) происходит снижение давления, она переходит в фазу с меньшей плотностью — расплавленную магму. Это явление называется декомпрессионным плавлением и может происходить даже при охлаждении породы, если давление снижается быстрее, чем температура. (Декомпрессионное плавление особенно приводит в недоумение лыжников и фигуристов, поскольку в этих зимних видах спорта поверхность становится скользкой благодаря противоположному поведению воды: лед тает при повышении давления.)

Сегодня, после 4,5 млрд лет охлаждения Земли в процессе мантийной конвекции, поднимающаяся в апвеллинге мантийная порода не несет достаточно тепловой энергии, чтобы подвергнуться полному плавлению. В результате магмы в океанических хребтах содержат только те компоненты мантийной породы, которые плавятся при самых низких температурах. Именно этот процесс частичного, или фракционного, плавления ведет к образованию базальта, имеющего другой состав — больше кремнезема, алюминия и кальция, меньше магния, — чем породившая его мантия.

По мере того как новая порция базальтового расплава поднимается вверх и заполняет центральную осевую зону океанического рифта, предыдущие порции, уже застывшие в твердую породу, смещаются симметрично в стороны в ходе процесса, называемого спредингом (расширением) океанического дна (рис. 7). Только что изверженный базальт более теплый и менее плотный по сравнению с несколько более ранними породами, которые он раздвигает; таким образом, каждая новая генерация базальта постепенно остывает и отодвигается все дальше от места своего рождения в рифте. Это объясняет, почему срединно-океанические хребты вздымаются на дне высокими гребнями подобно свежеиспеченным суфле, только что вынутым из духовки. На самом деле одним из ключевых открытий, приведших к теории тектоники плит, ставшей настоящим озарением в начале 1960-х гг., когда были составлены первые карты океанического дна, стало обнаружение того, что форма поперечного сечения этих подводных хребтов, по сути, представляет собой пару симметричных кривых охлаждения — напоминающих две лыжи, которые положили на полу носок к носку.

Все на карте

Давайте на минуту остановимся и осмыслим тот невероятный факт, что бо́льшая часть поверхности Земли — океаническое дно — не была картографирована вплоть до середины XX в. Даже сегодня топография большей части морского дна известна нам с разрешением около 5 км: батиметрические карты океана в 100 раз более «размытые», чем современные карты поверхности Венеры и Марса[25]. Еще более невероятно то, что первые карты двух третей нашей планеты были составлены практически одним человеком, имя которого, однако, неизвестно большинству жителей Земли (в отличие от Америго Веспуччи, в честь которого, несмотря на всю сомнительность его заслуг как первооткрывателя, названы целых два континента). Этим невоспетым героем картографии была Мари Тарп, американский геолог и океанограф. Она получила степень магистра геологии в Мичиганском университете, некоторое время работала на одну из нефтяных компаний, после чего в 1948 г. присоединилась к новому океанографическому проекту под руководством Мориса Юинга в Колумбийском университете[26]. На протяжении нескольких лет чисто мужская команда аспирантов Юинга занималась эхолокацией океанического дна, а Тарп кропотливо преобразовывала линейные графики показаний глубин в трехмерные топографические карты.

Изысканные карты с теневой штриховкой рельефа, которые Тарп скрупулезно прорисовывала пером и чернилами, показали, что дно океана, которое раньше считалось плоским и однообразным, в действительности изрезано опоясывающими земной шар грядами подводных хребтов и ужасающими своей глубиной впадинами. К 1953 г. она обратила внимание на то, что эти подводные хребты имеют одинаковое строение — параллельные гребни, между которыми находится осевая долина, и предположила, что это может быть результатом растяжения земной коры. Тарп поделилась с другим членом группы Юинга, Брюсом Хизеном, этой идеей, но тот отверг ее как «девичьи фантазии». Как бы то ни было, благодаря усилиям группы Юинга была составлена серия подробных карт морского дна, которые в итоге заставили геологов радикально пересмотреть свои взгляды на нашу планету. В 1963 г. двое британских геологов в статье в журнале Nature[27] впервые выдвинули гипотезу о спрединге океанической коры (использовав историю острова Сюртсей в качестве иллюстрации), заставив Хизена, а позже и остальную часть геологического сообщества признать, что Тарп была права.

Авторы этой статьи, Фредрик Вайн и Драммонд Мэтьюз, сформулировали гипотезу спрединга морского дна, опираясь на геометрический анализ, а не на непосредственные геологические наблюдения (пройдет десятилетие, прежде чем ученые смогут своими глазами увидеть эти подводные хребты или взять пробы слагающих их пород). Имея доступ не только к картам Тарп, но и к магнитным картам океанического дна, составленным ВМС США и Великобритании, Вайн и Мэтьюз обратили внимание на зеркальную симметрию относительно центральных осей хребтов, присущую как рельефу хребтов, так и характеристикам интенсивности магнитного поля. В частности, они обнаружили, что от гребневой зоны хребта по направлению вовне идут параллельные полосы одинаково намагниченных пород (рис. 7), а высота хребта уменьшается с увеличением расстояния от его гребневой зоны, как того и следует ожидать, если представить себе суфле из излитых пород, которое постепенно остывает и сжимается. Симметричный рисунок магнитных полос позволял предположить, что вдоль центральной оси хребта последовательно формируются всё новые генерации океанической коры. Они сначала охлаждаются в степени, достаточной для того, чтобы входящие в их состав железосодержащие минералы выровнялись согласно силовым линиям внешнего магнитного поля, после чего раскалываются пополам и смещаются в стороны, словно по гигантской конвейерной ленте. А поскольку магнитное поле Земли на протяжении планетарной истории не раз претерпевало инверсию, меняя местами северный и южный геомагнитные полюса без определенной системы (что было вторым революционным выводом в этой трехстраничной статье), эти новые фрагменты земной коры приобретали характерную магнитную полосчатость.

К началу 1970-х гг. определение возраста пород с морского дна в пробах, полученных путем глубоководного бурения, а также установление корреляции между магнитограммами океанического дна и магнитными инверсиями в хорошо датированных вулканических толщах на суше позволили разработать новый способ демаркации геологического времени — геомагнитную шкалу, привязанную к биостратиграфической (основанной на ископаемых остатках организмов) и геохронологической (основанной на радиоизотопном анализе) шкалам. Сегодня, благодаря точно известным датам инверсий магнитного поля, возраст пород на морском дне можно определить даже без получения физических образцов — путем простого подсчета того, сколько магнитных полос отделяет их от срединно-океанического хребта.

Между тем составление карты, показывающей возраст пород на дне Мирового океана, выявило еще одну странную закономерность: полосы пород любого данного возраста в Тихом океане оказались значительно шире, чем в Атлантическом. С начала кайнозойской эры 65 млн лет назад (т. е. с момента гибели динозавров) скорость спрединга океанического дна в Атлантике составляла в среднем около 1 см в год, что примерно равняется скорости роста ногтей. Это достаточно быстро — настолько, что в долине Тингведлир в Исландии, одном из немногих мест, где срединно-океанический хребет находится выше уровня моря — и где викинги с 930 г. н. э. проводили ежегодные собрания своего парламента альтинга, — был построен центр для посетителей, ширина которого равна тому расстоянию, на которое разрослась кора со времен древних викингов.

С другой стороны, скорость спрединга атлантического дна достаточно мала — настолько, что зеленые морские черепахи (Chelonia mydas), которые обитают в Бразилии и со времен динозавров совершают ежегодное плавание, чтобы отложить яйца на родном острове, представляющем собой поднятую над водой часть Срединно-Атлантического хребта, кажется, не заметили того, что за это время остров стал почти на 1100 км дальше. Черепахам пришлось бы куда сложнее, если бы их гнездовые пляжи находились в Тихом океане, где скорость расширения дна на порядок больше — она составляет почти 10 см в год (чуть медленнее скорости роста волос у человека). Если предположить, что скорость спрединга океанического дна просто отражает темпы мантийной конвекции, то почему под одним океаном конвекционные процессы происходят интенсивнее, чем под другим?

Под тяжестью плит

Замечательные карты Мари Тарп содержат ответ и на загадку о разной скорости движения плит в двух океанах. В частности, они показывают существенные различия между окраинами Тихоокеанского и Атлантического бассейнов: окраины Атлантического океана представлены в основном мелкими континентальными шельфами наподобие того, что мы видим у восточного побережья США, где глубины не превышают 200 м и океаническая кора постепенно переходит в материковую. В противоположность этому, окраины Тихого океана зачастую обрамляются головокружительными безднами, как у западного побережья Южной Америки, где глубины достигают более 8000 м ниже уровня моря. Эти глубоководные желобы отмечают собой зоны субдукции, где старая холодная океаническая кора, подчиняясь тому же инстинкту, что и бразильские морские черепахи, возвращается к месту своего рождения в недрах Земли.

Когда базальтовая океаническая кора достигает возраста примерно в 150 млн лет и удаляется на сотни километров от породившего ее разлома, она становится такой же плотной, как нижележащая мантия, в результате чего начинает погружаться обратно в глубь Земли под определенным углом и при этом тянет за собой остальную часть плиты подобно одеялу, соскальзывающему с края кровати (рис. 8). Сила этого субдукционного «затягивания», вероятнее всего, и определяет более высокую скорость спрединга океанического дна в Тихом океане — его рифтовые разломы просто создают новую кору в том же темпе, в котором происходит поглощение старой океанической коры по краям. В отличие от этого, скорость спрединга атлантического дна предположительно соответствует естественному, величественному и неспешному ритму жизнедеятельности мантии. Таким образом, земная кора является не пассивной «крышкой», а активной системой, где тектонические плиты не просто движутся в ритме, задаваемом конвективными процессами в мантии, но и в некоторых случаях задают собственный ритм, в конечном итоге диктуя и скорость образования гор. Но, для того чтобы образовались горы, сначала должна сформироваться континентальная кора, а это снова возвращает нас к срединно-океаническим хребтам.