Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Труженица вода

Вайн и Мэтьюз правильно истолковали морфологию океанических хребтов как результат последовательного поступления на поверхность и охлаждения все новых порций базальтового расплава. Но процесс остывания свежего океанического базальта происходит вовсе не так пассивно, как у вынутого из духовки суфле. Вместо этого холодная океаническая вода стремительно проникает внутрь извергнутой породы через трещины и поры, жадно поглощает тепло, а затем под давлением вырывается наружу в виде подводных гейзеров, образующих трубообразные постройки и известных как черные курильщики. По пути вода прихватывает из молодых пород не только джоули, но и растворимые химические элементы, такие как кальций, и оставляет взамен натрий, тем самым уменьшая соленость океана. (Об этом не было известно Джону Джоли, когда тот пытался оценить возраст Земли исходя из солености морской воды. Полученная им цифра в 100 млн лет не была абсолютно бессмысленной — просто она отражала типичное время пребывания натрия в морской воде, а не возраст Земли.) По примерным оценкам, весь объем воды, содержащийся в Мировом океане, проходит таким образом через молодые базальтовые породы срединно-океанических хребтов примерно за 8 млн лет[28].

Но не вся проникающая внутрь вода выходит наружу. Попадая в запутанные лабиринты и образуя химические связи с находящимися в базальтах минералами, часть воды остается запертой в океанической коре на длительный срок. Как выяснилось, эта случайная ловушка для воды является одним из важнейших компонентов тектонической системы Земли. Субдуцирующая океаническая плита, со дней своей молодости насыщенная «спрятавшейся» водой, погружается в мантию и постепенно нагревается. Когда она достигает глубины около 50 км, эта древняя морская вода начинает, наконец, высвобождаться и проникает в окружающую мантию. Мы привыкли представлять круговорот воды в природе как относительно короткий по времени цикл: молекула воды остается в атмосфере в среднем около девяти дней; время пребывания воды даже в самых больших озерах, таких как Верхнее озеро, составляет один-два века; подземные воды в глубоких горизонтах могут находиться там целое тысячелетие. Однако существует и цикл круговорота воды продолжительностью более 100 млн лет, который проходит через верхнюю мантию, и на самом деле такая гидратация мантии является необходимым шагом в «рецепте приготовления» континентальной коры.

В присутствии воды твердая (в ином случае) порода мантийного клина над субдуцирующей плитой начинает плавиться при более низкой температуре, чем обычно, — аналогично тому, как соль снижает температуру таяния льда на тротуаре. Это спровоцированное водой плавление ведет одновременно к разрушению и созиданию: благодаря ему в конечном итоге образуется новая континентальная кора, но это происходит в результате деятельности одних из самых мощных и смертоносных вулканов на нашей планете, которые возникают на верхней плите, прямо над тем местом в зоне субдукции, где погружающаяся плита отдает свои запасы воды. Обычно вулканы образуют дугообразную цепь в форме растянутой буквы C, что отражает кривизну субдукционного желоба на сферической Земле — аналогично тому, как вмятина на мячике для пинг-понга имеет серповидную форму. Если верхняя плита, как и погружающаяся под нее нижняя плита, также представлена базальтовой океанической корой, образующуюся цепочку вулканических островов называют островной дугой. В качестве примера можно привести Японию, Индонезию, Филиппины, Алеутские острова и северную часть Новой Зеландии. Если нижняя плита подползает под континентальную плиту, образующуюся цепочку вулканов называют континентальной дугой. Такими дугами, например, являются Каскадные горы и Анды (рис. 8).

В обоих случаях образованный благодаря воде мантийный расплав должен проложить себе путь через верхнюю плиту на поверхность. Иногда магма не в силах пробить твердую «крышку», поэтому она скапливается под поверхностью и частично расплавляет вышележащую кору. Как и в срединно-океанических хребтах, компоненты с более низкой температурой плавления извлекаются легче всего, что приводит к образованию новых магм, еще более богатых кремнеземом и еще менее похожих по составу на мантию, чем базальты. Многократное повторение циклов такого плавления приводит к постепенной «эволюции» коры, результатом которой является континентальная кора, состоящая преимущественно из легких гранитных пород. Таким образом, современная земная тектоника плит — с ее непрерывным формированием, созреванием и разрушением океанической коры как необходимым условием для генезиса континентальной коры — представляет собой идеальную сансару, круговорот рождения, смерти и реинкарнации.

Как быстро растут горы?

Зона субдукции функционирует гладко и плавно (хотя и не всегда без сейсмических проявлений), если океаническая кора при подходе к желобу достаточно тонкая и плотная для того, чтобы плавно погружаться в мантию. Но если океаническая плита содержит «неперевариваемые» включения, такие как слишком горячие или слишком толстые участки океанической коры, или же тянет за собой старую массивную островную дугу или вообще непотопляемый континент, образуется затор. Если при этом плита подползает под континентальную кору, неизбежно происходит нагромождение и деформация материала, и начинается формирование горной системы. Самые высокие горы на нашей планете, такие как современные Гималаи и некогда Альпы, Аппалачи и каледониды{6}, образуются в результате того, что длительно существующая зона субдукции в конце концов поглощает весь океанический бассейн, что приводит к столкновению двух континентов.

Сколько времени занимает образование гор? В случае с Гималаями магнитограмма океанического дна позволяет пролить свет на историю их происхождения. Итак, в конце мелового периода Индия отделилась от древнего южного континента Гондвана[29] и, под действием спрединга и субдукции океанической коры, начала энергично двигаться в сторону Азии. Преодолев в общей сложности около 2500 км за 30 млн лет — с довольно-таки впечатляющей для такого марафона средней скоростью более 8 см в год, примерно 55 млн лет назад Индия достигла Азии. С тех пор вклинивание северной окраины индийской континентальной плиты под азиатскую привело к вертикальному утолщению обеих континентальных плит посредством разрывных и складчатых деформаций, в результате чего и появилась Гималайская горная система. Поскольку сегодня схождение плит продолжается, от точки первоначального контакта на север и на юг распространяется волна деформации, постепенно расширяя пояс вздыбленной и смятой коры.

До появления в 1960-е гг. теории тектоники плит происхождение горных систем не имело вполне логичного объяснения. Многие геологи признавали, что для образования складчатых поднятий, типичных для горных регионов, требуется горизонтальное сжатие, однако в свете доминировавшей тогда теории фиксизма, отрицавшей перемещение континентов, было непонятно, какая движущая сила может стоять за этим процессом. Еще в XIX в. австрийский геолог Эдуард Зюсс (дед того самого Ганса Зюсса, который доказал, что наблюдаемое снижение концентрации углерода-14 в атмосфере вызвано эмиссией «древнего» углерода от сжигания ископаемого топлива) пришел к выводу, что многие горные породы в Альпах образовались на дне моря и затем каким-то образом были подняты на поверхность. В соответствии с представлениями лорда Кельвина о тепловой эволюции Земли он предположил, что по мере своего остывания наша планета сжимается, и на ее поверхности образуются морщины, подобно тому как гладкая виноградина, высыхая, превращается в морщинистый изюм.

Выдающийся искусствовед, интеллектуал-эрудит и любитель гор Джон Рёскин, современник Зюсса, также высказывал интуитивную догадку, что горы есть не статичные вечные монументы, но живые летописи динамичных событий. В отличие от Зюсса, у Рёскина морфология Альп ассоциировалась не с высохшим фруктом, а с текучей субстанцией: «Можно увидеть действие и единое движение в этих вздымающихся гребнями массах, напоминающих морские волны. Их фантастические, но вместе с тем гармоничные изгибы словно подчиняются движению некоего великого прилива, проходящего через весь массив горной цепи»[30]. Он также пришел к выводу, что эти «гармоничные» формы являются результатом действия противоположных сил — «подъемной силы изнутри гор» и «формирующей силы воды снаружи». Но возникает вопрос: насколько могущественны эти противостоящие друг другу силы?

Самые высокие вершины Гималаев, поднимающиеся на 9000 м над уровнем моря, расположены в том месте, где некогда находилось побережье. Таким образом, кажется логичным предположить, что скорость роста гор можно рассчитать, разделив их высоту на возраст в 55 млн лет, что дает нам совершенно не впечатляющие 0,015 см в год. Однако эта цифра — грубая недооценка фактической скорости поднятия, поскольку, как только тектонические силы начинают строительство гор, высокоэффективная команда эрозионных агентов тут же принимается их разрушать. Следовательно, чтобы получить адекватное представление о горообразовании, нам нужно найти способ измерить скорость этих двух противоположных процессов по отдельности.

Сегодня, благодаря спутникам высокоточной системы глобального позиционирования (GPS), геологи могут отслеживать поднятие земной поверхности практически в режиме реального времени. По данным GPS, в самой высокой части Гималаев, на Тибетском нагорье, средняя скорость поднятия на протяжении последнего десятилетия составляла около 2 мм в год. Это почти на порядок медленнее, чем скорость конвергенции (сближения) тектонических плит, составляющая около 2 см в год[31], и отражает довольно типичное соотношение вертикальной и горизонтальной деформации в коре. Однако инструментально измеренная скорость роста гор в 100 с лишним раз превышает вышеприведенную долгосрочную оценку (0,015 см в год), не учитывающую эффект эрозии. Как узнать, можно ли экстраполировать современную оценку, полученную на основе спутниковых измерений, на более длительные периоды геологического времени? В горах постоянно протекает процесс так называемой эксгумации: по мере поднятия «крыши мира» верхние этажи горного здания постоянно разрушаются, а нижние этажи, некогда находившиеся на подземных уровнях, постепенно поднимаются на поверхность, пока не становятся новым пентхаусом. Чтобы рассчитать долгосрочную скорость поднятия, нам нужно знать, сколько этажей было разрушено за все время и как быстро.

Есть несколько способов узнать, какое количество пород некогда возвышалось над горным поясом и было впоследствии удалено. Один из них — спросить у пород, вышедших сейчас на поверхность, как глубоко они находились под землей в определенное время в прошлом. Это можно сделать с помощью метода, известного как метод трекового датирования (или датирование по трекам распада), который изначально был разработан нефтегазовыми компаниями для реконструкции термальной истории осадочных пород, чтобы определить, могло ли в них в свое время происходить образование нефти или природного газа (осадочные отложения должны быть достаточно нагреты, чтобы органическое вещество «приготовилось» в них должным образом, но не слишком горячими, чтобы оно не выгорело).

В основе трекового датирования лежит тот факт, что широко распространенный изотоп урана 238U не только радиоактивен, но и имеет нестабильное ядро, которое спонтанно распадается с известной скоростью и с выбросом энергии. Эти высокоэнергетические события повреждают изнутри структуру кристалла. Используя микроскоп с большим увеличением, можно разглядеть эти повреждения, или треки распада, внутри урансодержащих кристаллов, таких как циркон (который в очередной раз подтверждает свой статус сокровища для геохронологов) и апатит (минерал, присутствующий в зубах и костях). Для каждого урансодержащего минерала характерна конкретная температура, при нагревании выше которой его кристаллическая решетка способна исцелить саму себя и стереть эти шрамы, подобно «волшебному экрану», стирающему все рисунки, если его хорошо потрясти. Но, если минерал находится ниже этой температуры, все повреждения остаются запечатленными в кристаллах. Таким образом, подсчитав плотность треков распада в данном объеме минерала, можно определить, сколько времени прошло после его остывания до определенной температуры и, следовательно, с того момента, когда он оказался на соответствующей глубине. Термохронология на основе треков распада для гималайских пород показывает, что современная скорость поднятия, оцененная на основе нескольких десятилетий спутниковых наблюдений, соответствует скорости поднятия в геологическом масштабе времени[32].

Остатки былых времен

Другой способ узнать, сколько материала было «сострижено» эрозией с гор, — посмотреть на объемы отложений, которые накапливаются у их подножий, подобно обрезкам волос на полу в парикмахерской. В Гималаях бо́льшая часть эродированного обломочного материала скопилась в двух гигантских «свалках» на морском дне: конусе выноса Инда и конусе выноса Ганга и Брахмапутры (который также называется Бенгальским конусом), куда эти реки на протяжении 50 млн лет выносят обломки гор. На картах Мари Тарп эти конусы похожи на два длинных языка, вытянутых от побережья далеко в Индийский океан. Бенгальский конус выноса является самым большим в мире: от общего устья Ганга и Брахмапутры на побережье Бангладеш (которое само полностью образовано из обломочного материала, принесенного с гор) его язык простирается на юг более чем на 3000 км. Если наложить этот конус на континентальную часть США, он растянется от канадской границы до Мексики, причем почти половину этого расстояния его толщина будет превышать 6,5 км.

Бурение и геофизическая разведка конуса выноса Инда[33] и Бенгальского конуса[34] позволяют нам увидеть перевернутую вверх дном импрессионистскую летопись выветривания Гималайских гор, где измельченные обломки пород, некогда венчавших вершины новорожденных гор, образуют самые нижние слои в огромной толще глубоководных отложений. По оценкам ученых, объем одного только Бенгальского конуса выноса[35] составляет 12,5 млн куб. км — это больше, чем современный объем Тибетского нагорья, находящийся выше уровня моря[36]. Это означает, что за все время существования Гималаев эрозия «состригла» с них больше материала, чем тот, из которого в настоящее время сложена эта высочайшая горная система Земли. В свете этого факта ответить на, казалось бы, элементарный вопрос Дилана (и Геттона): «Сколько лет может простоять гора, прежде чем ее смоет в море?» — становится еще сложнее. О каких горах идет речь? Гималаи существуют вот уже 55 млн лет, но на самом деле сегодня мы видим далеких потомков изначальных древних гор, чьи обломки сейчас лежат на дне Индийского океана.

Эфемерная природа гор, как и любого другого ландшафта, — одна из причин того, почему несогласия в стратиграфической летописи, такие как знаменитое несогласное напластование Геттона на мысе Сиккар-Пойнт, таят в себе такую притягательность. Верхний несогласный пласт погребает под собой и надежно сохраняет древние рельефы, позволяя нам увидеть поверхность давно исчезнувшей Земли ранних эонов. Регион Барабу-Хиллс в Висконсине, мекка для геологов (и родина недавно почившего знаменитого Цирка братьев Ринглинг, Барнума и Бейли — «Величайшее шоу на Земле»), представляет собой один из наиболее замечательных примеров палеотопографической консервации на планете. Около 1,6 млрд лет назад, в докембрии, здесь сформировался горный пояс, который в раннем палеозое, когда современный регион Великих озер оказался на дне моря, был погребен под сотнями метров морских отложений. Сегодня эрозия палеозойских пород достигла такой стадии, когда граница несогласия между образованиями докембрийского и палеозойского миров во многих местах вышла на поверхность. Давным-давно погребенные горы постепенно эксгумируются, и современная земная поверхность все больше приближается к той, что была здесь в позднем протерозое. Интересно, что этот древний ландшафт послужил источником вдохновения для двух великих мыслителей-натуралистов: Джона Мьюра, чья семья иммигрировала сюда из Шотландии, когда он был еще ребенком, и основоположника экологической этики Олдо Леопольда, чей «Календарь песчаного графства» (Sand County Almanac){7} был написан в тени первозданных Барабу-Хиллс. На Земле (даже в том же Висконсине) имеются и куда более древние породы, и разрушенные эрозией корни более старых горных поясов, но регион Барабу-Хиллс уникален тем, что здесь сохранился самый древний рельеф на планете — вот уж поистине «величайшее шоу на Земле».

Живые горы

Исследование снесенных с Гималаев отложений показывает, что, несмотря на некоторые вариации в скорости поднятия и эксгумации этого горного сооружения на протяжении длительного времени, в среднем полученные цифры находятся в том же диапазоне, что и оценки, сделанные на основе спутниковых наблюдений и термохронологических методов, таких как датирование по трекам распада. Этот униформистский результат, вероятно, обрадовал бы Лайеля. Гигантские отложения эрозионных осадков заставляют обратить внимание на еще один удивительный факт: скорость тектонических процессов, вызванных внутренним радиоактивным теплом Земли, по счастливому совпадению примерно соответствует[37] скорости действия внешних агентов эрозии — ветра, дождя, рек, ледников, приводимых в действие силой тяжести и солнечной энергией. Другими словами, возвращаясь к нашей аналогии с парикмахерской, волосы на голове у клиента растут ровно с той же скоростью, с какой его стрижет парикмахер. И хотя рост и эрозия гор происходят очень неспешно, эти процессы все же протекают не настолько медленно, чтобы быть недоступными нашему непосредственному наблюдению.

Такая удивительная соразмерность аддитивных и субтрактивных процессов формирования рельефа является одной из уникальных особенностей Земли. Ландшафты других скалистых планет и спутников выглядят такими чуждыми именно потому, что в этих мирах нет баланса в скорости действия созидательных и разрушительных рельефообразующих агентов. Если бы на Земле тектоника намного опережала эрозию, горные системы были бы гораздо выше и больше по площади, создавая более обширные участки высокогорной среды обитания альпийского типа. Если бы эрозия, наоборот, обгоняла тектонику, континенты были бы ниже, с более изрезанным рельефом, а реки приносили на континентальные шельфы гораздо больше отложений, что значительно изменило бы характер прибрежных регионов. И в том и в другом случае жизнь на суше и в море столкнулась бы с другими факторами естественного отбора, и эволюция вполне могла пойти иными путями. С другой стороны, сама жизнь способна влиять на рельефообразующие процессы: есть весомые доказательства того, что колонизация суши растениями в раннем силуре, около 400 млн лет назад, замедлила глобальные темпы эрозии и привела к появлению рек с четко выраженным руслом[38]. Кстати говоря, людям потребовалось всего несколько веков, чтобы обратить эту тенденцию вспять: по некоторым оценкам, современная скорость антропогенной эрозии — чему способствуют вырубка лесов, сельскохозяйственное использование земель, опустынивание и урбанизация — на несколько порядков превышает средний геологический показатель[39].

Примечательно и то, что темпы биологической эволюции гармонично согласованы со скоростью тектонических и поверхностных процессов в геологическом масштабе времени. Особенно хорошо это видно на примере Гавайских островов, которые формировались в направлении с северо-запада на юго-восток по мере того, как Тихоокеанская плита проходила над «горячей точкой», где мантийная порода поднимается из глубин к поверхности и претерпевает декомпрессионное плавление. Изучение биоразнообразия на каждом острове показывает, что адаптивные радиации — всплески эволюционного образования видов от одного общего предка — совпадали с периодом вулканического роста каждого острова, после чего этот процесс замедлялся по мере того, как эрозия брала верх, уменьшая площадь острова и уровень высот[40]. То же самое характерно и для таких же юных Галапагосских островов, разнообразие живых видов на которых навело Дарвина на мысль об эволюции. Только представьте, какой была бы наша планета, если бы морфология ее поверхности менялась слишком быстро, опережая способность многоклеточной жизни к эволюционной адаптации, — как оркестр, играющий слишком быстро, так что танцовщики не могут за ним поспеть? К счастью, все участники земного ансамбля — вулканы, дожди, папоротники, вьюрки и все остальные — исполняют свои партии с поразительной синхронностью.

Дожди и террейны

Более внимательный взгляд на протекающие в горах процессы обнаруживает еще более тонкую связь между тектоникой и эрозией — и еще больше усложняет ответ на загадку Геттона — Дилана. Начать с того, что скорость эрозии зависит от погоды и климата, а тектонические формы рельефа способны влиять и на то и на другое. Как известно, через контрольный пункт безопасности авиапассажирам разрешается пронести лишь небольшое количество жидкости — вот так и горные хребты играют роль своего рода барьеров, заставляя воздушные массы сбрасывать содержащуюся в них влагу, чтобы пройти над линией гребня. В результате на наветренных склонах выпадает избыток осадков, а на подветренных склонах создается так называемая область дождевой тени, что приводит к асимметричным темпам эрозии в горной системе. В Индии интенсивность ежегодных муссонов напрямую связана с существованием Гималаев и, в свою очередь, муссоны являются причиной интенсивной эрозии в их высоких предгорьях. Тибетское нагорье отчасти обязано своей высотой засушливым условиям, созданным самими же горами. В то же время засушливость приводит к недостатку растительности, что делает склоны более уязвимыми к гравитационному разрушению через оползни. Таким образом, по мере своего роста горы создают собственные сложные климатические системы, которые, в свою очередь, влияют на их дальнейшую эволюцию[41].

Крупные горные системы, такие как Гималаи, могут оказывать влияние даже на глобальный климат. В меловом периоде, до столкновения Индии и Азии, Земля была похожа на парник с очень теплым климатом, без ледников и ледяных шапок на полюсах. Регион Великих равнин в Северной Америке покрывало внутреннее море, доходившее до западной Миннесоты. Ученые объясняют это необычайно быстрым спредингом океанического дна на протяжении примерно 40 млн лет, что привело к всплеску вулканической активности и, как следствие, к значительному повышению концентрации вулканического углекислого газа (СО₂) в атмосфере. Некоторые виды динозавров населяли даже высокие арктические широты. Но в раннем кайнозое, примерно в то же время, когда началось образование Гималаев, климат Земли вступил в длительный период похолодания, который продолжался последующие 50 млн лет. Многие геологи предполагают существование причинно-следственной связи между этим климатическим трендом и формированием высокогорного рельефа Гималаев. В частности, химическое выветривание горных пород под воздействием дождевой воды в геологическом масштабе времени является важным механизмом поглощения углекислого газа (CO₂) — самого распространенного парникового газа — из земной атмосферы (рис. 9). Об этом мы подробнее поговорим в следующих главах.

В отсутствие человеческой деятельности главным источником CO₂ являются вулканические эксгаляции. Попадая в атмосферу, CO₂ соединяется с водяным паром и образует слабую кислоту — углекислоту (H₂CO₃), которая, выпадая в виде осадков, постепенно растворяет горные породы. Многие коровые породы содержат кальций, который затем в растворенном виде переносится реками в Мировой океан. В океане многочисленные морские организмы, от кораллов и морских звезд до одноклеточного зоопланктона, используют этот кальций и бикарбонат (HCO₃—) для строительства кальцитовых раковин и экзоскелетов (CaCO₃). Весь процесс в упрощенном виде можно описать как последовательность химических реакций:

Ключевым с точки зрения долгосрочного влияния на климат является следующий этап, когда секретирующие кальцит организмы умирают: их минеральные остатки оседают на морское дно и образуют известняк, где атмосферный углекислый газ запирается в твердой форме на десятки миллионов лет.

Это долгосрочная планетарная программа по улавливанию и хранению углерода, одна из наиболее недооцененных экосистемных услуг, интенсифицируется в те периоды, когда для химического выветривания становятся доступными обширные поверхности новых пород, как, например, при образовании горной системы масштаба Гималаев. Таким образом, рост Гималайских гор оказал влияние не только на локальные и региональные погодные условия, но и на климат и даже на топографию в глобальном масштабе, в конечном итоге способствуя наступлению ледникового периода, когда ледники и ледяные шапки изменили рельеф на всей планете.

Бурные потрясения

Еще более тонкая и парадоксальная связь между эрозией и горообразованием проистекает из того, как горная система взаимодействует с нижележащей земной мантией. По мере того как горы образуются в результате столкновения плит и утолщения коры, огромная масса пород, нагроможденных в одном месте, вызывает вытеснение твердого, но относительно пластичного верхнего слоя земной мантии, называемого астеносферой, — как это происходит с водой под тяжело груженным кораблем. Но, когда горы перестают расти (как в случае c молодыми, но уже тектонически неактивными Альпами), эрозия берет верх и постепенно уменьшает вес коры. В результате этого перемещенная верхняя мантия возвращается к своему исходному состоянию, а горы поднимаются вверх подобно кораблю, освобожденному от груза. Это явление, известное как изостатический отскок, также наблюдается в областях, которые прежде были покрыты толстым слоем ледника[42]. Так эрозия, как это ни поразительно, способствует поднятию гор[43].

Таким образом, на протяжении всей жизни гор дружный ансамбль танцоров: коровые деформации, климат, эрозия и мантийные дислокации — исполняют неспешный, слаженный танец, в котором каждый участник влияет на движения других. Однако порой их замедленная хореография может прерываться внезапными прыжками и жете. Чарльз Дарвин, переживший мощное землетрясение в Чили во время экспедиции на «Бигле», одним из первых предположил, что эти разрушительные события могут приводить к образованию гор, хотя причина землетрясений — резкие смещения по разломам — в то время была не вполне понятна. Обнаружив пласт «разлагающихся двустворчатых моллюсков», поднятый землетрясением на высоту более 3 м над линией прилива, Дарвин предположил, что старые раковины, найденные им на высотах до 180 м, попали туда точно таким же образом — «в результате последовательных небольших поднятий, подобных тому, какое сопровождало (или вызвало) землетрясение в этом году»[44]. Как всегда, Дарвин оказался прав.

В отличие от большинства геологических процессов, которые трудно изучать из-за очень медленной скорости их протекания, землетрясения происходят быстро, но их очаги возникают на недоступных для наблюдения глубинах. Никто никогда не видел, что происходит на поверхности разлома глубоко в земной коре при землетрясении. Тем не менее проводившиеся на протяжении столетия сейсмологические исследования, объединившие теорию упругих волн, экспериментальную геомеханику и анализ современных и древних зон разломов, позволяют извлекать количественную информацию из неровных линий сейсмограмм, на основе которой можно получить достаточно точную картину происходящего глубоко в коре Земли. Самые мощные землетрясения, называемые мегаземлетрясениями (или землетрясениями мегатолчка), имеют магнитуду около 9 и происходят в зонах субдукции — именно такие произошли в Индонезии в 2004 г. и в Японии в 2011 г. Такие мегаземлетрясения могут за несколько минут сделать то, что при фоновых скоростях тектонических процессов заняло бы много сотен лет.

Во время землетрясения на Суматре в 2004 г., вызвавшего разрушительное цунами, активизировался участок на стыке плит протяженностью 1100 км[45]. Подводный разрыв распространялся от очага на север в течение 10 адских минут со скоростью более 1,6 км/с, или 6900 км/ч. На всем этом расстоянии Зондская плита (обычно рассматривается как часть Евразийской плиты), на которой находится Индонезия, пододвинулась под соседнюю плиту в западном направлении в среднем на 20 м, на что при нормальной скорости движения плиты потребовалось бы примерно 1000 лет. Сдвигание каждого последующего сегмента границы плиты порождало мощные сейсмические волны — подлинную причину сотрясения поверхности земли, которые распространялись концентрическими кругами, подобно ряби от брошенного в воду камня, со скоростью от 3 до 5 км/с. Измерение этих скоростей представляет не только чисто научный интерес. Несмотря на высокую скорость распространения фронта разрыва и сейсмических волн, электромагнитные волны, передающие цифровую информацию, движутся еще быстрее. В Индонезии, Японии и других сейсмоопасных регионах были созданы системы оповещения о землетрясениях и цунами по мобильным телефонам — в надежде на то, что даже несколько секунд в критических обстоятельствах помогут спасти человеческие жизни.

Хотя пока мы не научились точно предсказывать, где и когда произойдут сильные землетрясения, одно можно сказать наверняка: они будут продолжаться. Глобальные инструментальные сейсмические данные, собранные почти за столетие, показывают, что мегаземлетрясение с магнитудой около 9 следует ожидать вдоль одной из планетарных зон субдукции в среднем каждые несколько десятилетий. По всему миру на всех типах разломов каждый год происходит одно-два 8-балльных и несколько десятков 7-балльных землетрясений[46]. Таким образом, строительство сейсмостойких зданий в сейсмически активных регионах должно стать одним из ключевых гуманитарных приоритетов во всем мире. В XXI в. нам должно быть стыдно со средневековым ужасом и удивлением взирать на развалины городов и тысячи жертв, как это случилось в январе 2010 года на Гаити, когда 7-балльное землетрясение унесло более ста тысяч человеческих жизней.

В замедленном темпе

На протяжении десятилетий геологи считали, что деформация земной коры в зонах разломов происходит в двух радикально разных режимах: быстро и бурно (со скоростью несколько метров в секунду) во время землетрясений и медленно и спокойно (со скоростью несколько сантиметров в год) в остальное время. Поскольку считалось, что между этими физическими явлениями в зонах разломов, столь различающимися по своим временны́м характеристикам, мало общего, сейсмологи — ученые, изучающие землетрясения, — и геологи-«структурщики» (такие как я), изучающие постепенные горообразующие тектонические процессы, традиционно относились к двум разным академическим кланам. Однако позднее эти две области геологической науки начали сближаться. В конце 1980-х гг. было установлено, что характерная стекловатая порода с труднопроизносимым названием псевдотахилит, иногда встречающаяся в древних зонах разломов, является продуктом локализованного фрикционного плавления, которое могло возникнуть только при смещении пород вдоль плоскости разлома со скоростью в несколько метров в секунду, т. е. при землетрясениях. Таким образом, ученые впервые смогли непосредственно наблюдать физические последствия воздействия сейсмического сдвига на породы, находившиеся в очаге землетрясения. А в начале XXI в. появление сейсмических «антенн» нового поколения в сочетании с высокоточным GPS-мониторингом движений земной коры и развитие вычислительных мощностей для обработки данных привели к удивительному открытию, что разломы в действительности демонстрируют более широкий спектр поведения, чем считалось раньше.

Между «ползучими» тектоническими движениями, происходящими медленно и долго, на фоновых тектонических скоростях, и обычными землетрясениями, длящимися считаные секунды или минуты, геологи зарегистрировали промежуточные события, называемые медленными землетрясениями. Эти события длятся от нескольких дней до нескольких недель и сопровождаются генерацией очень низкочастотных подземных толчков (тремора), которые прежде считались шумом и игнорировались. В отличие от обычных землетрясений, при которых разрыв разрастается со скоростью нескольких километров в секунду, медленные землетрясения распространяются вдоль зоны разлома со скоростью пешехода— на 16–32 км в день. Еще одна странность состоит в том, что некоторые из них затем разворачиваются и распространяются в обратном направлении с чуть более высокой скоростью[47], подобно туристу, который торопливо возвращается по своим следам, чтобы подобрать потерянную рукавицу. Что еще более странно, в некоторых зонах разлома такие медленные сдвиговые события повторяются с регулярными, но необъяснимыми интервалами. Например, в зоне субдукции Каскадия, проходящей вдоль побережья штата Вашингтон и Британской Колумбии, медленные землетрясения в среднем повторяются каждые 14 месяцев[48].

Причины и следствия такой замедленной сейсмичности пока не ясны. Многие геологи считают, что эти события могут быть связаны с флюидами, просачивающимися через деформирующиеся породы, и в таком случае трещины в древних породах, заполненные минеральными массами, называемые жилами, — источники многих металлических руд — в действительности могут быть следами древних медленных землетрясений. Это весьма интригующая гипотеза, однако гораздо важнее вопрос о том, как могут быть связаны между собой эти медленные сейсмические процессы и внезапные, разрушительные землетрясения. Помогают ли медленные землетрясения понемногу снижать накапливающееся напряжение в зонах разлома путем мелких приращений или же они предвосхищают более мощные, потенциально катастрофические события?[49] Исследования зон разломов по всему миру — на западе США, в Новой Зеландии, Японии, Центральной Америке — приводят к неутешительному выводу, что для разных зон разломов и разных глубин ответ может различаться. Представляется также, что во временны́х масштабах от нескольких столетий до тысячелетий в поведении разломов могут обнаруживаться тайные особенности, которые на сегодняшний день находятся за пределами наших возможностей наблюдения.

Вниз по склону

Подобно тому как неспешно происходит процесс образования гор, иногда перемежаясь бурными импульсами, их разрушение представляет собой комбинацию непрерывного процесса с дискретным. Мы, люди, привыкли считать, что, глядя на горные массивы, смотрим в лицо самой вечности, тогда как в действительности видим перед собой великий символ бренности. Величественные вершины и исполинские скалы — это всего лишь плоды незаконченного труда бригады одержимых скульпторов: воды, льда и ветра, вступающих в творческий союз с силой тяжести. Введенные в заблуждение кажущейся незыблемостью, мы бываем потрясены, когда очередной обвал оставляет шрам на склоне нашей любимой горы в Йосемитском национальном парке или уродует «лицо» знаменитого утеса Старик в Нью-Гэмпшире. Исследования в области геоморфологии (изучающей эволюцию ландшафтов) говорят о том, что эпизодические оползни и другие типы масштабного обрушения склонов могут быть наиболее важным механизмом эрозии в горной местности, тогда как реки (ранее считавшиеся основными агентами эрозии) просто убирают за ними мусор на протяжении последующих десятилетий и столетий[50].

Землетрясения, которые обычно способствуют строительству гор, тоже могут вызывать мощные оползни, как это было во время трагического Вэньчуаньского землетрясения в Китае в 2008 г., которые фактически сводят на нет эффект сопутствующего тектонического поднятия[51]. Другими словами, процессы формирования и разрушения горных ландшафтов тесно связаны между собой, и в обоих случаях могут доминировать не столько длительные и скучные периоды униформистской размеренности, сколько короткие, катастрофические эпизоды в режиме реального времени.

Существуют геологические свидетельства обрушений склонов в древности, которые по своей величине и мощи настолько превосходили все то, что доводилось видеть человечеству на своем веку, что кажутся невероятными сценами из плохих апокалиптических фильмов. Так, примерно 73 000 лет назад катастрофический обвал склона вулканического острова в архипелаге Кабо-Верде у западного побережья Африки породил цунами, которое забросило 90-тонные валуны на высоту 180 м на другом острове, находящемся в 50 км от этого места[52]. И хотя большинство людей знают, что под Йеллоустоном находится спящий супервулкан, который в прошлом извергался с инфернальной мощью, мало кому известно, что находящаяся по соседству гора таит в себе следы еще более ужасающей древней катастрофы. Гора Сердце в штате Вайоминг (рядом с которой во время Второй мировой войны находился лагерь для интернированных японцев) является частью блока горной породы (толщиной 1,6 км и площадью примерно с Род-Айленд), которая некогда сползла по довольно пологому склону более чем на 50 км всего за 30 минут, т. е. со скоростью автомобиля на автостраде, под действием перегретых газов под ее основанием[53], как предполагают ученые. Такие катастрофические события указывают нам на то, что с нашим коротким окном наблюдений мы видим лишь часть проявлений поведения Земли и что считающиеся нами «нормальными» процессы рельефообразования в действительности могут быть подобны деятельности спасательной бригады, пытающейся восстановить разрушенную инфраструктуру после катастрофы. Эта идея вряд ли понравилась бы Чарльзу Лайелю.

Неизведанная земля

Понимание долгосрочных последствий таких резких топографических изменений тем более важно, что в настоящее время мы сами являемся агентами геоморфологической катастрофы. Открытый способ добычи угля посредством так называемого «срезания вершины горы» — обманчиво безобидный хирургический термин — сопряжен с перемещением огромных объемов пород, сравнимым по масштабам с крупнейшими стихийными бедствиями. В некоторых районах Аппалачей старые топографические карты попросту стали непригодными для использования. Проведенное в 2016 г. исследование измененного рельефа на юге Западной Вирджинии показало, что с 1970-х гг. с горных вершин было срезано и свалено в верховьях речных долин около 6,4 куб. км «вскрышных» пустых пород[54]. По объему это сравнимо с количеством эрозионного осадочного материала, которое Ганг и Брахмапутра — две мощнейшие реки, стекающие с самой высокой горной системы на планете, — выносят в Бенгальский конус выноса за десятилетие. И это только в одном регионе — на юге Западной Вирджинии.

Последствия такого массированного нарушения ландшафта будут весьма обширными и длительными. Склоны, где деревья некогда скрепляли почву поверх коренных подстилающих пород, ныне покрыты насыпями породных отвалов толщиной в десятки метров. В естественных условиях реки формируют в горных областях русло, близкое к так называемому профилю равновесия, т. е. имеющее такой уклон, когда скорость потока соответствует объему осадочных пород, поступающих в речную долину. Сегодня в долинах Аппалачей маленькие горные речки доблестно стараются справиться с колоссальными объемами отходов горнодобычи, доставляемых туда человеком. Сколько времени может занять их вымывание, оценить достаточно сложно, поскольку у нас нет геологических аналогов такого глубокого нарушения равновесия, но, по самым консервативным оценкам, на это могут уйти сотни тысяч лет. Не менее удручает и прогнозируемое краткосрочное и долгосрочное воздействие этого антропогенного вмешательства на химический состав поверхностных и подземных вод и на судьбу аборигенной фауны и флоры. А психологический эффект, который оказывает на людей печальное зрелище обезглавленных гор, и вовсе не поддается оценке.

Сегодня во всем мире люди перемещают больше горных пород и осадочного материала — как преднамеренно, ради добычи полезных ископаемых, так и непреднамеренно, ускоряя темпы эрозии сельскохозяйственной деятельностью и урбанизацией, — чем все реки планеты, вместе взятые[55]. Формирование земной географии перестало быть уделом исключительно геологических процессов. Буквально за несколько лет Китай радикально изменил карту архипелага Спратли в Южно-Китайском море, построив несколько искусственных островов, намывая грунт с морского дна на коралловые рифы, — этакий пугающий антипод естественно возникшему острову Сюртсей. На юге Англии темпы отступания знаменитых меловых скал увеличились с нескольких до 30 см в год в результате человеческого воздействия на береговую линию вкупе с наступлением моря на сушу и усилением штормливости вследствие изменения климата[56]. Дельта Нила погружается в море на 2,5–5 см в год из-за резкого уменьшения объемов твердого стока после строительства Асуанской и других плотин[57]. Побережье Луизианы теряет около 0,4 га суши в час из-за непреднамеренных последствий порожденного людьми «идеального шторма»: строительство канала континентального масштаба на реке Миссисипи резко сократило поступление наносов, тогда как интенсивная добыча нефти и газа привела к оседанию земной поверхности — и все это на фоне неуклонного повышения уровня моря (которое является косвенным следствием сжигания тех самых ископаемых углеводородов)[58]. В Оклахоме мы собственноручно разбудили давно спящие разломы и спровоцировали землетрясения, используя для добычи нефти и газа метод гидроразрыва пласта, при котором огромные объемы воды нагнетаются под давлением в глубокие горизонты[59].

Беспрецедентный масштаб антропогенного влияния на топографию планеты является одним из аргументов в пользу концепции антропоцена — выделения в геохронологической шкале новой эпохи, знаменующей превращение человека в глобальную геологическую силу. Мы в буквальном смысле слова меняем конфигурацию континентов и переделываем карту мира. Но насколько это значимо для планеты, которая непрерывно меняет свой географический облик, разрушает старые миры и созидает новые? Вряд ли наше влияние так уж существенно для самой Земли, которая в конечном итоге переделает все в соответствии с собственными предпочтениями — либо медленно и постепенно, либо посредством стремительных катастроф. Однако в человеческом масштабе времени нам еще долго придется расхлебывать негативные последствия нашей разрушительной деятельности. Почвы, потерянные в результате эрозии, прибрежные территории, утраченные из-за наступления Мирового океана, горные вершины, принесенные в жертву на алтарь капитализма, — всего этого уже не вернуть при нашей жизни. Более того, эти изменения запускают каскад побочных эффектов — гидрологических, биологических, социальных, экономических и политических, которые будут определять существование человечества на многие века вперед. Другими словами, бездумное пренебрежение геологическим прошлым и плодами его труда ведет к тому, что мы теряем контроль над собственным будущим.

В 1788 г., увидев несогласное напластование на скалистом мысе Сиккар-Пойнт, Джеймс Геттон понял, что образование такого утеса заняло огромное количество времени, и пришел к выводу, что геологическое время бесконечно. Спустя 200 с лишним лет мы научились хронометрировать рост и разрушение гор. Возраст знаменитого углового несогласия Геттона, отделяющего породы силурийского периода от девонских пород, составляет не вечность, а «всего» около 50 млн лет — этого времени более чем достаточно для создания и разрушения горного пояса, т. е. для течения пород в мантии, столкновения континентов, крупномасштабных смещений по разломам, скульптурирования рельефа дождевыми каплями и разрушения горных пиков. Сегодня, когда у нас появилась возможность наблюдать за процессами в твердой оболочке Земли в режиме реального времени, мы с удивлением обнаруживаем, что жизненные ритмы планеты не так уж недоступны нашему восприятию и наш древний земной шар имеет в своем репертуаре куда более широкий набор темпов, в том числе головокружительно быстрыx. Изучение моделей поведения Земли учит нас относиться с почтением к ее способности менять свой облик посредством как постепенных изменений, так и эпизодических катастроф.

Сформировавшееся в XIX в. представление о невероятно медленных темпах геологических процессов породило у нас утешительное заблуждение, что наша планета — вечное, незыблемое и бесчувственное небесное тело, на которое мы, как бы ни хотели, не в силах оказать сколь-нибудь существенное воздействие. В свете этого мы также рассматривали любые стремительные события, такие как образование новых вулканических островов или землетрясения с магнитудой 9 баллов, как отклонение от нормального хода вещей, хотя в действительности это обычное дело для нашей планеты. Но сегодня становится все более очевидным, что мы стали достаточно сильны для того, чтобы оставлять на планете свои следы и шрамы, собственноручно нанося ущерб своему жилищу. И пока мы будем страдать от последствий, Земля будет неспешно заниматься ремонтными работами, время от времени перемежая их программами интенсивной реновации, стирая с лица планеты плоды нашей деятельности.

Глава 4. Изменения в атмосфере

Здесь чувствуем мы лишь Адама кару —

Погоды смену: зубы ледяные

Да грубое ворчанье зимних ветров,

Которым, коль грызут и бьют мне тело,

Дрожа от стужи, улыбаюсь я:

«Не льстите вы!» Советники такие

На деле мне дают понять, кто я.

* * *

Находит наша жизнь вдали от света

В деревьях — речь, в ручье текучем — книгу,

И проповедь — в камнях, и всюду — благо.

Уильям Шекспир. Как вам это понравится{8}

Холодная встреча

На Шпицбергене многие элементы ландшафта не имели официальных названий до конца XIX в., поэтому в местности, где я проводила полевые работы, учась в магистратуре, некоторые из них были названы в честь геологов той эпохи. Высокий пик носил имя Йёнса Якоба Берцелиуса, «отца шведской химии» и пионера минералогии. Относительно защищенная от ветров долина с полудюжиной живописных ледников была окрещена Чемберлиндален в честь Т. Чемберлина, геолога из Висконсина, который первым составил карты ледниковых отложений в верховьях Великих озер. Выступающий в Северный Ледовитый океан мыс, обдуваемый всеми ветрами, назывался Капп-Лайель — как несложно догадаться, в честь великого апологета униформизма.

То, чем я занималась на Шпицбергене в 1980-х гг., мало чем отличалось от работы моих коллег в XIX в. — я составляла геологическую карту района: намечала геологические границы безымянных литологических подразделений, отбирала образцы для анализов и предварительно интерпретировала данные для реконструкции истории геологического развития региона. Подобного рода рекогносцировочные геологические работы в большинстве других частей мира были завершены еще несколько десятилетий назад.

Базовые карты, на которые мы наносили результаты наших геологических наблюдений, были увеличенными копиями прекрасных, нарисованных от руки карт 1920-х и 1930-х гг. Меня восхищал и использованный картографами изящный шрифт с легким наклоном, и аккуратные надписи, изогнутые в соответствии с дугами ледников и береговых линий. Но сечение горизонталей (промежуток между изогипсами — линиями одинаковых высот) на этих картах было разрежено до 50 м — очень крупное сито, которое не могло уловить много ценных топографических деталей. Поэтому в поле мы использовали еще и аэрофотоснимки, сделанные Норвежским полярным институтом в 1930-е и 1950-е гг. (с перерывом на ужасные военные годы, когда Норвегия боролась за выживание и даже на отдаленном Шпицбергене среди фьордов скрывались зловещие германские субмарины). Днем мы соотносили эти снимки с местностью, делали на них отметки, а белыми ночами, при блеклом свете полуночного солнца, переносили эту информацию на карты. Такие аэрофотоснимки (сегодня в основном уступившие место спутниковым изображениям) представляли собой стереоскопическую пару — два перекрывающихся снимка местности, которые, если смотреть на них через специальный стереоскоп, позволяли увидеть объемное изображение топографических особенностей рельефа. (Некоторые опытные геологи могут достичь того же эффекта без стереоскопических очков, просто расслабив и слегка сведя глаза, но я так и не научилась этому трюку.) Вскоре мы поняли, что нам нужно быть осторожными с определением местоположения объектов относительно краев ледников на аэрофотоснимках, поскольку их границы заметно сдвинулись вверх по долине по сравнению со старыми фотографиями. Это было первым знаком того, что на этот полярный архипелаг, казалось навсегда застывший в ледяном оцепенении, возвращается время.

В последующие годы мне посчастливилось заниматься геологическими исследованиями потрясающих ледниковых ландшафтов в других районах Шпицбергена, а также в Канадской Арктике, но на мыс Капп-Лайель мне снова довелось попасть только в 2007 г., ровно 20 лет спустя после той первой экспедиции. За эти годы я сильно изменилась — вышла замуж, сделала научную карьеру, воспитала трех сыновей, пережила смерть супруга — и вернулась сюда другим человеком. Но я была уверена в том, что этот кусочек суши, запечатленный в моей памяти в мельчайших подробностях, остался почти неизменным со времен моей молодости. Действительно, я нашла нашу старую лагерную стоянку — булыжники, которыми мы укрепляли кухонную палатку, по-прежнему лежали там, где мы их оставили. Но почти все остальное изменилось удручающим образом. Наша группа смогла приплыть сюда на катере в начале июня — на несколько недель раньше, чем это было возможно в 1980-е гг., потому что в этом году морской лед не дошел до южной части Шпицбергена. (На самом деле это был первый известный случай в истории, когда легендарный Северо-Западный проход был также свободен ото льда.) Из-за этого белые медведи, которые раньше проводили все лето, праздно дрейфуя на льдинах и охотясь на жирных тюленей, и потому не доставляли геологам больших неприятностей, теперь бродили по берегу и смотрели на нас голодными глазами. Хорошо знакомые мне ледники, некогда стекавшие в долину Чемберлиндален ослепительно белыми массивными толщами, превратились в посеревшие, жалкие подобия самих себя, словно усохшие на своих горных склонах. Почти два десятилетия я читала студентам лекции об изменении климата и могла бы и во сне перечислить все факты и доказательства. Но, увидев своими глазами шокирующие изменения, затронувшие столь близкое мне место, я была потрясена до глубины души: это было все равно что прийти на встречу с близкими старыми друзьями и обнаружить их всех смертельно больными. В том, что Капп-Лайель носил имя первого апостола униформизма, казалось, крылась горькая насмешка: время, на многие века оставившее Шпицберген погруженным в ледяную вечность, возвращалось, чтобы мстительно напомнить о своем существовании.

Таинственный эфир

Перемены, коснувшиеся ледников Шпицбергена, наглядно показывают, что даже самые отдаленные уголки планеты почти у самых ее полюсов тесно связаны с остальным земным шаром через атмосферу. Земля со своей структурой концентрических слоев удивительно похожа на персик: железное ядро соответствует косточке, мантия — мякоти, кора — кожице. Атмосфера же напоминает внешний слой ворсинок на кожице фрукта: в пропорциональном отношении она имеет такую же толщину, простираясь на 480 км над поверхностью Земли, а бóльшая часть ее массы сосредоточена в нижнем 16-километровом слое. Вездесущая, но большей частью невидимая, атмосфера является одним из важнейших благ, предоставляемых нашей гостеприимной планетой своим обитателям. В отличие от атмосфер наших ближайших соседей — чудовищно тяжелой на Венере и почти улетучившейся в космос на Марсе, — которые состоят в основном из углекислого газа и представляют собой немногим более чем застойные вулканические эксгаляции, земная атмосфера с ее смесью азота и кислорода со следовыми количествами СО₂ — это одновременно аномалия и чудо. Понимание ее происхождения и древней истории помогает нам взглянуть на современные темпы атмосферных и климатических изменений в перспективе. История атмосферы неразрывно связана с историей жизни. Современная атмосфера была в значительной степени сотворена самой жизнью, которая, образно выражаясь, написала ее химическую конституцию. Жизнь стабильно управляла атмосферой на протяжении большей части геологического прошлого, хотя временами даже ее сложная система биогеохимических сдержек и противовесов не могла предотвратить атмосферные революции и экологические катастрофы.

Откуда мы можем получить информацию о древнем воздухе? В отношении последних 700 000 лет у нас есть непосредственные «пробы» его состава — воздушные пузырьки, попавшие в древний снег и сохранившиеся внутри полярного льда (подробнее об этом читайте в следующей главе). Но как насчет более давних времен? Парадоксально, но многое об атмосфере нам может поведать такой, казалось бы, противоположный всему эфемерному и летучему источник, как горные породы. И породы говорят, что современная атмосфера является по крайней мере четвертой фундаментальной версией внешней оболочки Земли. Вопреки представлениям Геттона и Лайеля об истории Земли как о череде бесконечно, но бесцельно повторяющихся циклов, история атмосферы — это воспитательный роман о том, как наша планета обновлялась в процессе своего взросления. Как воздух в доме — чистый и свежий, или прокуренный и затхлый, или же с манящими ароматами готовящейся еды, атмосфера Земли многое говорит о привычках ее обитателей. На протяжении по крайней мере 2,5 млрд лет биосфера меняла атмосферу в планетарном масштабе, и наоборот, все массовые вымирания видов и крупные сбои в биосфере совпадали с резкими изменениями в составе атмосферы. Эволюция воздушной оболочки Земли тесно связана с эволюцией ее твердой оболочки через вулканизм, выветривание горных пород и осадконакопление, в то же время атмосфера способна к гораздо более гибким, чем тектоническая система, и подчас происходящим в мгновение ока трансформациям. Нырнув в глубины сложной истории невидимого воздушного океана, мы можем научиться по-новому ценить каждый вдох.

Первый ветерок и второе дыхание

Самая первая атмосфера Земли предположительно была «каменистой» — насыщенной измельченными и распыленными частицами горных пород, поднятыми в воздух вследствие постоянной бомбардировки планеты астероидно-метеоритными телами. Помимо знаменитых цирконов из Джек-Хиллс (о которых рассказывалось в главе 2), мы пока не нашли на Земле других свидетельств первых 500 млн лет ее существования. Единственный более или менее обширный источник информации об этом периоде, который ученые назвали гадейским эоном (он же катархей) в честь Гадеса (или Аида), греческого бога подземного царства мертвых, подразумевая, что в те времена наша планета напоминала ад, — это образцы, доставленные астронавтами и луноходами с Луны. Хорошо знакомая, изрезанная шрамами поверхность нашего спутника, сложенная породами, возраст которых составляет около 4,45 млрд лет, и покрытая толстым слоем раздробленных, большей частью измельченных до состояния пыли обломков пород (лунным реголитом), является наглядным свидетельством тех адских времен, когда остатки строительного материала, оставшегося после формирования Солнечной системы, яростно бомбардировали молодые внутренние планеты.

Этот космический мусор предположительно включал не только каменные и металлические метеориты, но и ледяные кометы, прилетавшие из-за пределов орбиты Нептуна и доставлявшие на новорожденную Землю драгоценную воду, собственные запасы которой на нашей планете, учитывая ее близость к Солнцу, были довольно ограничены. В любом случае, как свидетельствуют цирконы из Джек-Хиллс, через 100 млн лет существования Земли на ее поверхности или по крайней мере в приповерхностной коре уже имелось некоторое количество воды — зачатки будущих океанов, которые впоследствии станут одной из главных уникальных особенностей нашей планеты. Установлено, что интенсивная бомбардировка Луны закончилась примерно 3,8 млрд лет назад, когда были образованы знаменитые лунные моря — в действительности гигантские кратеры, открытые Галилеем. А поскольку в гадейском эоне Луна была даже ближе к Земле, чем сегодня, разумно предположить, что в первые 700 млн лет своей жизни наша планета подвергалась такому же космическому обстрелу. И более того, вполне может быть, что это массированное воздействие привело к потере нескольких ранних атмосфер и океанов[60].

Таким образом, самые ранние систематические записи в летописи Земли совпадают с последними страницами истории Луны, после чего прерываются на 400 млн лет и возобновляются лишь около 4 млрд лет назад. Перевитые метаморфические породы, выходящие на поверхность в районе Большого Невольничьего озера на севере Канады — гнейсы Акаста, — официально признаны самой древней горной породой на Земле (это уже не просто минеральные зерна, такие как цирконы) и отмечают старт земного отсчета геохронологической шкалы: начало архейского эона. К сожалению, рассказывая в живых подробностях историю высокотемпературных поднятий и других процессов в недрах юной Земли, достопочтенные гнейсы Акаста (и чуть более молодые гнейсы в других районах Канады, а также в Гренландии и на юге Миннесоты) не сохранили никаких воспоминаний об условиях на поверхности планеты.

Первые сведения о происходившем на дневной поверхности Земли мы можем получить благодаря супракрустальным комплексам в формации Исуа на юго-западе Гренландии, которые были образованы 3,8–3,7 млрд лет назад, примерно в то время, когда интенсивная космическая бомбардировка наконец-то пошла на убыль. Формация Исуа включает разнообразные осадочные породы, образованные в результате эрозии и осадконакопления в поверхностных водах, а также зеленокаменные породы — метаморфизированные, но узнаваемые «подушечные» базальты с луковицеобразной формой отдельности, которая является характерным признаком подводных извержений. Это говорит о том, что в то время на Земле уже были океаны, а близость Луны, вероятно, значительно увеличивала высоту приливов. Приливы также были более частыми, чем сегодня, поскольку день длился предположительно меньше 18 часов (соответственно, в году было около 470 дней)[61]. Со временем трение между системой океан-атмосфера и твердой оболочкой Земли, действуя как мягкий тормоз, постепенно замедлило вращение планеты.

Породы формации Исуа снабжают нас косвенными сведениями о второй атмосфере Земли. Их происхождение свидетельствует о том, что 3,8 млрд лет назад на Земле жидкая вода была в изобилии, что, однако, вступает в противоречие с моделями звездной эволюции, согласно которым наше Солнце, относящееся к звездам класса желтый карлик, в те времена было примерно на 30 % менее ярким, чем сегодня, — а при таком количестве поступающей солнечной энергии любая вода на Земле должна была находиться в замороженном состоянии. Впервые на этот парадокс слабого молодого Солнца обратил внимание астрофизик Карл Саган в 1972 г.[62] Было выдвинуто множество оригинальных гипотез, как примирить это очевидное противоречие между астрофизической теорией и палеогеологическими данными (несущее в себе отголоски предыдущих противостояний между физикой и геологией). На сегодняшний день преобладает объяснение, согласно которому большая концентрация парниковых газов в атмосфере компенсировала недостаток солнечной энергии и сделала климат на юной Земле достаточно мягким для того, чтобы древние реки могли течь и стекаться в открытые моря. Как показывает атмосфера соседних Венеры и Марса с их затянувшейся вулканической активностью, первыми парниковыми газами, вероятно, были углекислый газ (CO₂) и водяные пары, хотя метан, этан, азот, аммиак и другие газообразные вещества могли играть роль дополнительных одеял, сохранявших архейский мир в тепле. Каким бы ни был ее точный состав, эта вторая атмосфера просуществовала более миллиарда лет и дала жизнь первым землянам.

Признаки жизни

Очевидное водное происхождение пород формации Исуа делает их бесценными угодьями для охотников за ранними формами жизни. В 1996 г. группа геологов из США, Великобритании и Австралии объявила об обнаружении косвенных геохимических доказательств древней жизни в графите (минеральной форме углерода), найденном в обогащенном железом слое в двух обнажениях пород формации Исуа[63]. В частности, они выявили необычно высокое содержание более легкого, стабильного (т. е. нерадиоактивного) изотопа углерода 12C по отношению к чуть более тяжелому 13C. Дело в том, что фиксирующие углерод организмы, в том числе фотосинтезирующие микробы и современные растения, очень разборчивы в отношении углерода. Поскольку для ассимиляции более легкого изотопа требуется чуть меньше энергии, они предпочитают выбирать именно его из доступных в окружающей среде углеродных атомов. В результате биогенный углерод имеет более низкое соотношение 13C/12C (разница в несколько тысячных долей), чем углерод, который не был переработан живыми организмами.

Как и предыдущие заявления об обнаружении самых древних свидетельств жизни на Земле, это открытие подверглось многочисленным атакам. Геологи из других исследовательских групп выдвигали разные предположения: что исследованные породы слишком метаморфизованы, чтобы сохранить исходную сигнатуру изотопов углерода[64], что на одном из опробованных участков вмещающая порода, казавшаяся осадочным образованием, в действительности была магматической интрузией[65] или что образцы были попросту загрязнены современным органическим веществом[66]. Горячий характер этой дискуссии вполне понятен, учитывая, насколько высоки ставки — в конце концов, речь идет об истории нашего собственного происхождения!

Из-за этой неопределенности приз за звание самых древних подтвержденных следов жизни был пока что возвращен очень похожей на формацию Исуа, но более молодой толще зеленокаменных и осадочных пород, находящейся на другой стороне мира — на северо-западе Австралии. Это формация Дрессер группы Варравуна, которая, хотя и моложе на 250 млн лет, может, по крайней мере, похвастаться наличием прямых, зримых следов жизни — ископаемых строматолитов (рис. 10)[67]. Эти тонкослоистые, комковатые породы (название которых буквально означает «каменная подстилка» или «ковровый камень», что связано с их бугристой поверхностью) являются окаменелыми микробиальными матами, вероятно представляющими не один биологический вид, а вертикальную экосистему прокариот, находящихся в симбиотических отношениях и живших в первобытном океане. Осадочные текстуры, характерные для среды с волновым возмущением, указывают на то, что строматолиты росли в мелких, хорошо освещенных солнцем водах, а также позволяют предположить, что эти организмы, по крайней мере в верхних слоях, были фотосинтетиками. Имея уже довольно сложную коммунальную организацию, строматолитовые колонии не могли быть самыми первыми формами жизни. Как и цирконы из Джек-Хиллс и несогласное напластование Геттона, они указывают на существование гораздо более ранних, пока неизвестных предшественников. Тем не менее пальма первенства не только в категории самых древних сохранившихся пород, но и самых древних следов биосферы осталась пока у Австралии.

В 2016 г., после двух десятилетий жарких споров по поводу того, заключены ли в породах Исуа химические призраки древних организмов, еще одна группа геологов, включавшая двух авторов оригинальной статьи об изотопах углерода, опубликовала новое исследование, сообщив об обнаружении образований, вероятно являющихся строматолитами, в обнажении карбонатных (известняковоподобных) пород в формации Исуа, недавно вскрытом в результате таяния ледника[68]. Их возраст оценивается в 3,7 млрд лет. Освещая это открытие, мировые СМИ вполне ожидаемо подчеркивали его важность для поисков жизни на Марсе, хотя куда более важный его смысл кроется в том, что жизнь на Земле, по всей видимости, зародилась и достигла значительного разнообразия еще в те времена, когда на планете царил ад космических бомбардировок[69]. И с этого момента эволюция земной атмосферы была тесно переплетена с эволюцией жизни.

Железный век

Стальной магнат (и позже филантроп) Эндрю Карнеги, который в свое время был богаче Билла Гейтса, Сэма Уолтона и Уоррена Баффета, вместе взятых, сколотил состояние, не только эксплуатируя тысячи рабочих на своих сталелитейных заводах, но и, если копнуть глубже, благодаря труду несметного числа древних микробов. Сталь Карнеги, как, впрочем, и практически вся остальная сталь в мире, выплавлялась из пород, относящихся в некотором смысле к исчезнувшему роду. Большинство типов пород, например базальты, извергаемые вулканами срединно-океанических хребтов, или песчаники, состоящие из гранулированных остатков других пород, более или менее вечны в том смысле, что сегодня их образование продолжается на Земле точно так же, как на протяжении прошедших миллиардов лет. В отличие от них, осадочные образования с незамысловатым названием «железистые формации» накапливались лишь в определенный период времени в истории Земли и отражают революцию в химическом составе поверхности планеты, которая произошла лишь однажды, в раннем протерозое, от 2,5 до 1,8 млрд лет назад. В частности, эти самые плотные из пород свидетельствуют о радикальном изменении атмосферы — переходе от поверхностных условий без свободного кислорода (О₂) к дивному новому миру, созданному благодаря неустанному труду выделяющих кислород фотосинтетических микроорганизмов, таких как синезеленые водоросли, или цианобактерии (чьи современные потомки являются бичом стоячих водоемов, вызывая цветение воды и неприятный запах). Эта была третья атмосфера Земли.

Полосчатые железистые формации, чаще всего встречающиеся в Австралии, Бразилии, Финляндии и регионе Верхнего озера, — это красивые породы с яркой цветовой палитрой, где тонкие слойки серебристого гематита и черного магнетита чередуются с серым кремнем и красноватой яшмой. Мощность этих формаций может достигать сотен метров. Как правило, они разрабатываются гигантскими открытыми карьерами, такими как огромная рукотворная бездна «Халл Раст» («Большой каньон Севера») в Хиббинге (штат Миннесота), родном городе Боба Дилана. Если не принимать во внимание их металлический состав, эти железистые формации очень сходны с современными известняками по характеристикам осадконакопления, что позволяет предположить, что они откладывались и в мелководной морской обстановке. Однако в современном океане железо находится в таком дефиците, что выступает так называемым лимитирующим питательным веществом — необходимым для жизни элементом, нехватка которого сдерживает биологическую продуктивность. На этом факте даже основана одна из предлагаемых сегодня спорных схем климатического инжиниринга. Идея состоит в том, чтобы распылить в Мировом океане достаточное количество железного порошка, что активизирует процесс размножения и фотосинтеза цианобактерий, которые (если все пойдет согласно плану) будут оседать на дно океана, секвестрируя большое количество углерода и не ввергая в хаос (скрестим пальцы!) всю остальную морскую биосферу. В отличие от сегодняшней морской воды, содержащей лишь следовые количества железа, протерозойские океаны изобиловали железом, о чем свидетельствуют огромные объемы распространения железистых формаций, — представьте себе всю сталь мира, заключенную в автомобилях, самолетах, зданиях, мостах, железных дорогах и т. п.

Именно кислород, этот мятежный газ, впервые выработанный цианобактериями, изменил правила игры в отношении того, что отныне могло и не присутствовать в морской воде. В докислородном режиме железо, извергаемое из глубоководных вулканических жерл, спокойно пребывало в открытом океане в растворенном виде, перемешиваясь без видимого эффекта с натрием, кальцием и другими ионами. Но, как только кислород начал накапливаться на мелководьях, его атомы принялись охотиться за атомами железа, связывать их и тянуть на дно, создавая железистые формации. Кислород очистил океаны от железа, в буквальном смысле превращая его в ржавчину.

Новый мировой порядок

Этот геохимический переворот, называемый геологами Великим кислородным событием, или Кислородной катастрофой, сопровождался радикальным переписыванием атмосферно-гидросферной химической конституции. Присутствие свободного кислорода изменило характер химического взаимодействия между дождевой водой и породами на суше, что отразилось на составе рек, озер и подземных вод. Именно в это время из осадочных отложений исчезли некоторые типы галечников, распространенные в руслах рек архейского эона, в частности галька пирита и богатых ураном минералов, которые стали нестабильными или растворимыми в воде в условиях нового геохимического регламента. И наоборот, на страницах стратиграфической летописи появились новые записи в виде современных оксидных минералов — сульфатов и фосфатов, таких как гипс и апатит. Так зародившаяся жизнь изменила казавшиеся незыблемыми устои древнего минерального царства.

Присутствие свободного кислорода (О₂) на поверхности Земли также привело к формированию в стратосфере озонового (O₃) слоя, который защитил поверхностную среду от разрушительного действия солнечного ультрафиолетового излучения и значительно расширил границы зоны, доступной для обитания живых организмов. Новые альянсы между кислородом и другими элементами увеличили мобильность ранее дефицитных питательных веществ, таких как азот. Это стимулировало масштабные биологические инновации, в том числе повышение эффективности фотосинтеза, что привело к дальнейшему увеличению производства кислорода. Подобно тому как сегодня прорывные инновационные технологии создают новые рыночные возможности, на Земле были сформированы совершенно новые биогеохимические циклы — глобальные товарные биржи, на которых одноклеточные прокариотические организмы-посредники обеспечивали круговорот огромных объемов углерода, фосфора, азота и серы[70]. В этих условиях крошечный предприимчивый прокариот (получивший позже название «митохондрия»), научился перерабатывать кислород и осуществил стратегическое симбиотическое слияние с более крупной клеткой, основав надцарство эукариот, которое в конечном итоге «населилось» растениями и животными.

Между тем с Великим кислородным событием связана важная загадка, на которую у ученых пока нет ответа: почему между появлением первых фотосинтезирующих форм жизни (3,8 млрд лет назад) и появлением свободного кислорода (около 2,5 млрд лет) прошло так много времени? Одно из возможных объяснений состоит в том, что организмы, сформировавшие строматолиты в формациях Исуа и Варравуна, использовали аноксигенный (без образования кислорода) фотосинтез — на первый взгляд оксюморон для тех, кто знаком с жизнедеятельностью растений. Однако эта метаболическая стратегия до сих пор используется некоторыми бактериями, прячущимися в низкокислородных убежищах, таких как заросшие водорослями стоячие водоемы. Вместо того чтобы соединять углекислый газ (CO₂) и воду (H₂O) под воздействием солнечного света с образованием сахаров (CH₂O) n (где n равно 3 или более) и выделением кислорода (O₂), эти микробы производят сахара из CO₂ и сероводорода (H₂S), газа с запахом тухлых яиц, и выделяют в качестве отходов серу.

Другое объяснение может состоять в том, что микробы в строматолитах действительно производили свободный кислород, но весь его объем столь же эффективно потреблялся при их разложении. Разложение является точной противоположностью фотосинтеза — та же химическая реакция, только в обратном направлении, когда сахара и другие углеродно-водородные соединения, созданные организмами, реагируют со свободным кислородом с образованием углекислого газа и воды (ускоренный вариант этой реакции в виде сжигания углеводородов — излюбленное занятие людей). Таким образом, если фотосинтез и разложение идеально сбалансированы, чистого накопления О₂ в атмосфере происходить не будет. Но кажется маловероятным, чтобы такой баланс мог сохраняться на протяжении 1,3 млрд лет, учитывая тот факт, что по крайней мере часть органической материи захоранивалась в осадках без разложения (и в конечном итоге превращалась в те самые ископаемые углеводороды, которые мы так любим окислять).

Наконец, согласно еще одной гипотезе, на протяжении более чем миллиарда лет весь кислород, образовывавшийся в ходе фотосинтеза, тут же вступал в реакцию со склонными к окислению вулканическими газами, особенно сероводородом, которые в больших количествах извергались подводными вулканами. Затем, примерно в конце архея, вероятно, произошел переход к более современному тектоническому режиму с вулканизмом магматических дуг в зонах субдукции, при котором стали преобладать газы с меньшими восстановительными свойствами[71]. Некоторые геологи, ведомые врожденной человеческой склонностью к униформистской стабильности, интерпретируют архейские породы, такие как гнейсы Акаста и зеленокаменные породы Исуа, через призму современной тектоники плит. Отдельные ревнители униформизма, ссылаясь на малоубедительные косвенные свидетельства на основе анализа цирконов из Джек-Хиллс, даже утверждают, что в гадее Земля выглядела точно так же, как сейчас. Однако многие другие (признаюсь, включая и меня) считают, что мы должны подавить голос Чарльза Лайеля в наших головах и допустить возможность того, что во времена архея и гадея фундаментальная тектоника Земли выглядела иначе.

Прежде всего, твердая оболочка молодой Земли была намного горячее (лорд Кельвин отчасти был прав), что делало невозможной субдукцию океанической коры в ее современном виде. К тому же, при том что архейские породы несут в себе следы столкновений и смятия поверх конвектирующей мантии, структурные особенности их деформации отличаются от тех, что характерны для современных деформированных пород на четко определенных стыках твердых плит. Более горячие и подвижные коровые плиты могли нагромождаться друг на друга и подвергаться частичному плавлению с извлечением компонентов, из которых затем происходило образование гранитной континентальной коры, в то время как нижний слой остаточной плотной породы в виде огромных капель погружался обратно в мантию, как это предполагается в модели дрип-тектоники (от англ. drip — «капля»)[72]. Но уже в толщах пород конца архейского эона мы можем распознать элементы современной архитектуры земной коры: континентальные шельфы, зоны субдукции, вулканические дуги и полноценные горные пояса, а это означает, что к тому времени Земля достаточно остыла для того, чтобы сформировать хрупкую внешнюю оболочку. Таким образом, переход от старой тектонической системы к новой вполне мог стать тем самым фактором, благодаря которому потребление кислорода начало отставать от его производства. На самом деле кажется вполне логичным, что тектоническое совершеннолетие Земли по времени совпадает с фундаментальным изменением химического состава ее поверхностной среды.

Хотя Великое кислородное событие привело к кардинальному разрушению устоявшегося геохимического порядка, с точки зрения фактического масштаба оно было не таким уж великим, как предполагает его название. Некоторые металлические элементы-примеси в полосчатых железистых формациях, такие как хром, имеют стабильные изотопы, очень чувствительные к уровню кислорода — как своего рода докембрийские канарейки{9} в неких вневременных угольных шахтах. Так вот, соотношения этих изотопов предполагают, что в раннем протерозое концентрация кислорода в атмосфере составляла лишь небольшую долю — менее 0,1 % — от современного уровня (сейчас на кислород приходится 21 % объема атмосферы)[73]. Нам, существам, живущим в фанерозое, этот мир вряд ли показался бы гостеприимным. Однако с точки зрения химических возможностей переломной является разница между отсутствием свободного кислорода и его присутствием даже в малом количестве, а не разница между «немного» и «немного больше».

Миллиард лет застоя

После потрясений Кислородной катастрофы атмосфера Земли, судя по имеющимся у нас данным, вступила в длительный период геохимической стабильности. Хотя основной этап осаждения железистой формации закончился около 1,8 млрд лет назад, уровень кислорода оставался примерно постоянным, намного ниже нынешнего уровня, на протяжении еще миллиарда лет[74]. Такое устойчивое равновесие (представьте себе национальную экономику, которая на протяжении столетий не испытывает инфляции, рецессий и рыночных потрясений) указывает на удивительный баланс между производством кислорода трудолюбивыми одноклеточными фотосинтетиками и его потреблением ненасытными металлами, сернистыми вулканическими газами и разлагающейся органической материей. По мнению ученых, такая стабильность может объясняться только жесткими ограничительными условиями, например острой нехваткой фосфора — важнейшего питательного вещества для всех форм жизни.

В то время как верхние слои океана постепенно насыщались кислородом, есть свидетельства того, что более глубокие слои оставались в переходном состоянии раннего протерозоя. В таких стратифицированных условиях железосодержащие минералы продолжали забирать из глубоководных слоев драгоценный фосфор, сохраняя его на своей поверхности, — подобно жуликам, которые контрабандой вывозят из бедной страны ценную валюту в подкладке пальто. Это, в свою очередь, вызывало хронический недостаток фосфора в верхних слоях, что сдерживало биологическую продуктивность, ограничивало захоронение органического углерода и в результате препятствовало увеличению концентрации кислорода в атмосфере[75].

Этот «голодный» режим заставлял организмы переходить на диеты с низким содержанием фосфора и развивать новые стратегии рециркуляции. Но во всем остальном эволюция, казалось, выжидала время. Несмотря на относительное биоразнообразие, жизнь по-прежнему оставалась одноклеточной; в океанах процветали планктонные виды, включая некоторых эукариотических гигантов, известных как акритархи, которые достигали 0,8 см в диаметре, а береговые линии по всей планете были покрыты коврами из строматолитов. Этот мирный и спокойный протерозойский эон получил среди геологов неофициальное прозвище «скучного миллиарда лет». Однако это название в духе Гомера Симпсона{10} абсолютно несправедливо и вводит в заблуждение, подобно тому как учебники по истории основное внимание уделяют только войнам, а длительные периоды мира и созидания пропускают как «время, когда ничего не происходило».

Во-первых, такое длительное поддержание равновесия может служить примером того, как нам, людям, следует изменить свои биогеохимические поведенческие модели, чтобы предотвратить надвигающуюся экологическую катастрофу, которая является результатом неконтролируемого потребления ограниченных ресурсов и колоссального дисбаланса между производством и удалением атмосферных газов. В отличие от нас, представителей голоценовой эпохи, земляне в протерозойском эоне «соблюдали» фундаментальные принципы устойчивого существования: весь интенсивный геохимический товарообмен происходил в рамках замкнутых циклов, где отходы одной группы микробных производителей были сырьем для другой.

Во-вторых, именно в ходе этого «скучного» миллиарда лет сформировались прочные ядра современных материков, когда в результате перехода Земли к новому тектоническому режиму произошло соединение блоков древней архейской коры (кратонов) и затем их постепенное обрастание вулканическими дугами. Породы фундамента, находящиеся у меня под ногами в моем родном Висконсине, а также скрытые под чехлом более молодых отложений по всему Среднему Западу и плато Великих равнин, почти все сформированы в ходе протерозойских горообразовательных процессов в течение «скучного» миллиарда лет, когда к древнему Канадскому щиту были присоединены обширные участки континентальной коры (рис. 11). В это, возможно, «скучное», но продуктивное время на Земле шло интенсивное инфраструктурное строительство — еще одна полезная практика, которую следовало бы позаимствовать нам, современным обитателям планеты.