Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Рисунок 21. Временная шкала важных событий в протерозойском эоне. Даты приведены в миллионах лет до настоящего времени. Криогений показан для удобства сравнения с событиями, описанными в тексте, но формально он не является подразделением геологической временной шкалы.
Слияние суперконтинентов с помощью тектонических процессов изучено весьма хорошо, однако причины их распада не так очевидны. Одна из теорий (хотя и не единственная) предполагает, что очень крупные континенты действуют как своеобразная термоизоляция, заставляя подлегающую мантию нагреваться. В конечном итоге горячий материал мантии из-за своей плавучести начинает течь вверх в виде плюма или горячей точки; в результате вышележащая литосфера поднимается и растягивается. Появляются трещины, сопровождаемые вулканической деятельностью, и континент начинает распадаться. Доказательство таких процессов — повсеместное распространение вулканических пород, известных как «дайки», возраст которых соответствует времени распада суперконтинентов. Дайки — это узкие вертикальные пласты магмы, которые рассекают континентальную кору по трещинам. Эти трещины были путями для значительных потоков лавы (сейчас в основном их разрушила эрозия), которые хлынули на континент. Если Африка разделится на части вдоль Восточно-Африканского рифта, через десятки или сотни миллионов лет по краям образовавшихся после разлома континентов будут видны целые скопища даек.
Как бы ни распадались протерозойские суперконтиненты, и они, и меньшие массивы суши, образовавшиеся после распада, сильно отличались по внешнему виду от современных. Единственное сходство было в топографии — высокие горные хребты, плоские равнины и пустыни. Но там не было жизни. Высокое содержание углекислого газа в атмосфере создавало сильные кислотные осадки, и вместе с резким рельефом и отсутствием растительности это приводило к сильной эрозии поверхностных пород. Этот вывод надежно базируется на протерозойских осадочных породах, для которых характерны обширные толстые пласты кварцевого песчаника — признака континентальной эрозии.
В отличие от бесплодных материков протерозойские океаны изобиловали жизнью. Доминирующими формами были бактерии и археи — простые одноклеточные организмы, которые возникли, возможно, еще в катархее. Образованные ими строматолитовые структуры постоянно встречаются в протерозойских породах: они — эталонные окаменелости, практически символы той эпохи. Первые настоящие окаменелости эукариотов с клеточными ядрами и другими сложными структурами появляются примерно 1,8 миллиарда лет назад. (Как говорилось в главе 4, биомаркеры эукариотов обнаружены в более старых архейских породах, что заставляет предположить их более древнее происхождение). К концу протерозойского эона появилась целая экосистема более сложных многоклеточных животных, и почти одновременно сократилось количество строматолитов. Любопытно, что эволюция жизни в протерозое, циклы существования суперконтинентов и изменения климата и химического состава атмосферы могут быть связаны между собой.
Связь между жизнью и атмосферой (особенно содержанием в ней кислорода) понять легко. Повышение уровня кислорода в протерозое должно быть связано с эволюцией зеленых растений, которые производят атмосферный кислород с помощью фотосинтеза. Но какие свидетельства подтверждают связь между формированием и распадом суперконтинентов, временами Земли-снежка, составом атмосферы и эволюцией жизни?
Возможно, лучше всего ответить на этот вопрос, изучая в хронологическом порядке, как различные части системы под названием Земля взаимодействовали между собой во время протерозоя. Одновременность или почти одновременность не всегда означает взаимосвязь, но если геологическая летопись показывает, что основные изменения в разных частях системы происходили более или менее в одно и то же время, то разумно как минимум изучить возможность взаимной связи между ними. И если физика и химия, стоящие за такими изменениями, совместимы с этой идеей, то велика вероятность, что такая связь действительно обнаружится.
Я должен подчеркнуть, что по-прежнему существует неопределенность в отношении того, как именно развивалась история Земли в протерозое, особенно на начальных стадиях этого эона. В летописи горных пород имеются пробелы, а многие уцелевшие породы прошли через метаморфизмы. Излагаемый мною вариант будет пересматриваться, но при нынешних данных он правдоподобен. Для начала нужно снова вернуться к условиям, существовавшим в конце архейского эона — незадолго до начала протерозоя.
Некоторые архейские осадочные породы обладают химическими свойствами, которые заставляют предположить, что океаны тогда были весьма теплыми: возможно, их температура превышала 50 градусов Цельсия. Если море было настолько горячим, то температура на суше должна быть еще выше. В этом суть упомянутого в главе 4 парадокса молодого слабого Солнца: во времена архея падавшая на Землю солнечная энергия составляла всего 75–80 % от нынешнего значения, а поэтому поверхностная температура должна быть ниже, а не выше современной. Единственное правдоподобное решение этой проблемы состоит в том, что концентрации углекислого газа и метана в атмосфере были настолько велики, что из-за такого парникового эффекта Земля была комфортно теплой (или даже некомфортно горячей). Как мы видели ранее, в бескислородных условиях архейской атмосферы уровень метана был, вероятно, очень высоким. Однако требовался точный баланс: если уровень метана поднимается слишком сильно, образуется метановая дымка. Идея атмосферного тумана из метана — не фантастика: именно такой дымкой окутан Титан, крупнейший спутник Сатурна[46]. Если на архейской Земле уровень метана оказался бы достаточно высоким, то розовато-коричневый метановый туман блокировал бы солнечный свет, противодействуя парниковому эффекту.
В Южной Африке геологи обнаружили тип осадочных отложений, известный как «тиллит»: это конгломерат мелких и крупных обломков, а также мельчайших отложений, который обычно образован ледниками. Южноафриканскому тиллиту 2,9 миллиарда лет, и это единственное такое отложение времен архейского эона. На валунах тиллита видны царапины и следы истирания от ледников, и поэтому эти отложения стали считать свидетельством первого ледникового периода в истории планеты. Появилось предположение, что высокий уровень метана в архейской атмосфере сначала помогал сохранять тепло благодаря парниковому эффекту, но позже, когда образовалась быстро охладившая Землю метановая дымка, привел к ледниковому периоду.
Насколько мы можем судить, в конце архея и в начале протерозоя температура снова поднялась. Однако протерозой включал не один ледниковый период, и некоторые из них были исключительно суровыми (смотрите временную шкалу на рисунке 21). Первый (который на самом деле был несколькими последовательными холодными отрезками) случился между 2,45 и 2,2 миллиарда лет назад, вскоре после начала эона. Он известен как «гуронское оледенение» и, возможно, тоже был связан с метаном в атмосфере, хотя и не так, как его архейский предшественник.
Начало гуронского оледенения совпадает с описанной в главе 4 кислородной катастрофой — резким повышением содержания кислорода в атмосфере около 2,45 миллиарда лет назад. Почему кислород появляется в атмосфере именно в это время, в точности неизвестно, за исключением того, что это каким-то образом связано с фотосинтезом и эволюцией
