Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

зеленых растений. Это повышение оказалось очень серьезным в относительном выражении, поскольку первоначальное содержание кислорода было практически нулевым, но в итоге количество кислорода составило всего лишь около 1 % (или даже меньше) от современного уровня. Однако этого было достаточно, чтобы резко уменьшить среднее время существования молекул метана в атмосфере (метан разрушается из-за окисления). Когда понизилась концентрация метана, уменьшилась эффективность парникового эффекта, поэтому упала и температура.

В течение того периода, который именуют гуронским оледенением, Земля не находилась в условиях ледникового периода постоянно: скалы из района Великих озер в Канаде содержат свидетельства трех четко различимых ледниковых периодов, разделенных более теплыми интервалами, и вполне вероятно, что их было еще больше. Об оледенении свидетельствуют скалы примерно того же возраста из Соединенных Штатов, Южной Африки и Финляндии: это говорит о масштабности ледников. Магнитные свойства некоторых пород, связанных с оледенением, указывают на их нахождение в относительно низких широтах; это признак того, что холод был сильным и, возможно, распространялся и на тропики. Один или несколько отрезков гуронского оледенения могли быть эквивалентны периодам Земли-снежка, которые настали позже, ближе к концу протерозойского эона.

Я уже несколько раз упоминал, что геологическая летопись не является непрерывной, но это стоит лишний раз подчеркнуть. Например, напоминающие торт слои, которые можно увидеть на стенах Большого каньона, охватывают в общей сложности более полутора миллиардов лет, однако есть сотни миллионов «недостающих» лет — их не представляют вообще никакие породы. Тот факт, что самым старым породам, свидетельствующим о гуронском оледенении, 2,45 миллиарда лет, а самым молодым — 2,22 миллиарда, не означает, что оледенения не было чуть раньше или чуть позже этого промежутка времени. Точное время кислородной катастрофы тоже неясно. Почти все породы старше 2,45 миллиарда лет демонстрируют, что кислорода в атмосфере нет, в то время как породы моложе 2,32 миллиарда лет указывают, что атмосфера насыщена кислородом; однако пропуски в геологической летописи снова не дают возможности установить точное время этой трансформации. И все равно даже по геологическим совпадениям перекрытие по времени между кислородной катастрофой и гуронским оледенением поражает: уровень кислорода повысился, и Земля замерзла. Возможно, все было наоборот: датировка недостаточно точна, чтобы сказать это. Однако разумно предположить, что сначала появился кислород: он снизил концентрацию метана, что ослабило парниковый эффект и подтолкнуло Землю к ледниковому периоду.

Имеются также косвенные доказательства, связывающие парниковые газы, кислородную катастрофу, гуронское оледенение и образование континентов. Одна из причин того, что границу между археем и протерозоем установили на моменте в 2,5 миллиарда лет назад, заключается в том, что геологи обнаружили незначительные изменения в природе пород земной коры, сформировавшихся до и после этого момента. Эти изменения были не мгновенными даже в геологическом смысле, но важнейшее обстоятельство состоит в том, что судя по минеральному составу архейских осадочных пород, многие из них образовались в результате выветривания базальта, в то время как осадочные породы протерозоя, скорее всего, были продуктом выветривания гранитоподобных пород. Это не означает, что гранитная кора не существовала до 2,5 миллиарда лет назад: мы уже встречались с доказательствами того, что субдукция или подобные ей процессы формировали гранитные породы гораздо раньше. Однако такие данные осадочных пород показывают, что континентальная кора, похожая на сегодняшнюю, стала доминирующим источником отложений только в протерозое. Это может отражать важнейший постепенный сдвиг в способе образования коры — от преимущественно базальтового вулканизма (например, в Исландии и на Гавайях) к процессам, которые привели к стабилизации континентов гранитного состава посредством вулканизма в зонах субдукции. Это отразилось на содержании парниковых газов в атмосфере в ту эпоху.

Почему так должно быть? Базальт — это характерная магма, сформировавшаяся при плавлении мантии; он несет с собой растворенный метан и углекислый газ из недр Земли, которые выбрасываются в атмосферу. С другой стороны, процессы, которые образуют континентальную кору гранитного состава, более сложны, как уже упоминалось ранее; в целом они переносят на поверхность гораздо меньше этих газов. Поэтому понижение базальтового вулканизма (даже если оно сопровождается повышением вулканизма в зоне субдукции) приводит к уменьшению уровня парниковых газов в атмосфере. Это также может частично объяснить повышение содержания кислорода, поскольку из-за меньшего количества метана на реакцию с ним уйдет меньшее количество кислорода, произведенного посредством фотосинтеза. Итоговым результатом могут оказаться пониженные температуры — возможно, достаточно низкие, чтобы привести к гуронскому оледенению.

Создание континентов, оледенение и биологическая эволюция могут связываться и другими способами. По мере того как материки увеличивались в размере и количестве и начинали выдерживать более резкие формы рельефа, усиливались и эрозия, и химическое выветривание поверхностных пород. На длительных промежутках времени химическое выветривание — основной процесс удаления углекислого газа из атмосферы: он растворяется в дождевой воде с образованием угольной кислоты[47], которая разрушает и растворяет горные породы; затем реки и ручьи переносят его вместе с растворенными веществами в океан, и он более или менее постоянно сохраняется на дне океана в качестве компонента осадочных пород (рисунок 25). Таким образом, формирование континентов, особенно гор в районах субдукции, возможно, понижало количество углекислого газа в атмосфере и инициировало похолодание. Кроме того, материалы усилившегося выветривания содержали большое количество важных веществ — например, фосфора и железа. Попав в океан, эти вещества могли стимулировать распространение жизни и сыграть определенную роль в эволюции фотосинтезирующих цианобактерий и последующем насыщении атмосферы кислородом.

Этот сценарий довольно умозрителен: мы не знаем, так ли всё обстояло на самом деле. Однако у нас есть хронология событий, и мы знаем с точностью, как действуют вышеописанные процессы — разрушение метана посредством окисления, извлечение углекислого газа из атмосферы посредством выветривания, глобальные изменения температуры, вызванные изменением уровня атмосферных парниковых газов и удобрение океанов веществами, попадающими туда после усиленного выветривания, знаем и их последствия. На данный момент нет никаких фактов, которые бы противоречили описанным взаимосвязям между этими процессами. Однако вполне вероятно, что какие-то детали изменятся, геологи найдут новые факты, и ситуация с разгадкой протерозойских пород станет более ясной.

Первые несколько сотен миллионов лет протерозоя были довольно насыщенными, но с конца гуронского оледенения и до отметки 800 миллионов лет назад ситуация на поверхности планеты была относительно стабильной. Это тот самый период, который некоторые ученые называют скучным миллиардом (на самом деле промежуток больше похож на полтора миллиарда, но это звучит не так красиво). Как правило, эти ученые — геохимики, занимающиеся океанами и атмосферой: в течение этого промежутка времени содержание кислорода в атмосфере оставалось низким, мало что менялось и в химии океана. Однако этот период включает формирование Колумбии, первого