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 х<