Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед - Дж. Д. Макдугалл

Поскольку Земля состоит из химически различающихся оболочек — таких как ядро, мантия и кора, — и поскольку мы можем собрать пробы для анализа только из самой верхней оболочки, определение общего химического состава нашей планеты казалось трудной задачей. Однако и хондриты можно проанализировать в лаборатории. Если они действительно представляют собой тот материал, который, накапливаясь, образовал Землю, тогда просто анализируя их, мы могли бы определить химический состав Земли в целом — поистине удивительная перспектива! Но можно ли считать, что они характеризуют средний состав того вещества Солнечной системы, из которого первоначально образовалась Земля? Имеются веские доводы в пользу того, что это так. Это факты, полученные в результате исследований Солнца, поскольку оно содержит почти всю массу солнечной системы и тем самым, — можно сказать, по определению, — средний состав Солнца соответствует среднему составу всей Солнечной системы. Путем спектрального анализа света, излучаемого Солнцем, ученые получили много информации о его химическом составе. За исключением небольшого числа элементов, находящихся обычно в газообразном состоянии, относительные количества большинства элементов в хондритах почти точно соответствуют их среднему содержанию на Солнце; что является хорошим свидетельством в пользу того, что вещество хондритов не подвергалось существенному химическому фракционированию. Таким образом, сопоставляя информацию, полученную в результате изучения метеоритов, со знанием о средней плотности различных оболочек Земли, выведенным на основе сейсмических исследований, оказалось возможным не только оценить общий химический состав Земли, но даже определить средний состав тех оболочек, образцы пород которых никогда не отбирались, — таких, как глубокие слои мантии и ядро.

КАКОВ ВОЗРАСТ НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ?

Выше уже было упомянуто, что возраст Земли несколько миллиардов лет. Это современное представление. Убеждение Джеймса Ашера, теолога, который на основании Библии вычислил, что Земля была сотворена в 4004 году до н.э., продержалось вплоть до девятнадцатого века. Некоторые и сегодня игнорируют неопровержимые научные доказательства и уверяют, что библейские легенды излагают истинную историю сотворения и дальнейшего развития Земли.

Ныне принятый наукой возраст Земли в 4,5 миллиардов лет был установлен только в середине 1950-х годов. Точное определение возраста Земли является весьма специфической научной задачей, но в сущности оно исходит из того факта, что естественно встречающиеся радиоактивные изотопы распадаются с постоянной скоростью. Если эта скорость для конкретного изотопа твердо установлена, то можно сосчитать количество продуктов его распада, которое накопилось в образце горной породы со времени ее образования, на основании чего можно вычислить возраст породы. Радиоактивный распад и его использование для датирования образцов горных пород будут более подробно рассмотрены в главе 6, но все же стоит отметить, что в обычных горных породах имеется несколько изотопов, которые можно использовать для датирования. Изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства, но слегка отличающееся строение ядер. Не все изотопы радиоактивны, но лишь те, которые со временем распадаются, образуя изотопы совершенно другого элемента. Из элементов с радиоактивными изотопами более других известны уран и торий. В процессе радиоактивного распада они превращаются в изотопы свинца. Таким образом, часть свинца, существующего сейчас на Земле и даже в Солнечной системе, не существовала изначально, при формировании, а возникла в течение геологического времени в результате постепенного распада тория и урана.

Поскольку каждый из изотопов тория и урана, распадаясь, превращается в свинец с определенной скоростью, образцы, содержащие эти элементы, содержат каждый несколько независимых, как бы встроенных в породу, геологических «часов», которые можно использовать независимо друг от друга для определения геологического возраста породы. Из этого также следует, что соотношение изотопов свинца в каждой конкретной породе, как правило, совершенно индивидуально и отражает как возраст, так и соотношение содержания урана и тория. В 1950-х годах Клэр Паттерсон из Калифорнийского технологического института в Пасадене обнаружила, что как метеориты, так и образцы горных пород Земли имеют одинаковые соотношения содержаний изотопов свинца. Используя тщательно отобранные образцы, точно соответствующие, насколько это возможно, среднему содержанию изотопов свинца в Земле, и серию образцов из хондритовых метеоритов, Паттерсон открыла систематическое соотношение, указывающее, что все эти тела — и Земля, и различные хондриты — должны были образоваться из общего изначального материала в промежутке от 4,5 до 4,6 миллиарда лет назад.

Результаты, полученные Клэр Паттерсон, представляют собой одно из важнейших открытий в анналах геологии. Они не только установили надежные цифры для возраста Земли, но и связали происхождение нашей планеты с образованием вещества Солнечной системы в целом. Один из ее предшественников, выдающийся шотландский геолог восемнадцатого столетия Джеймс Хаттон сказал как-то об истории Земли, что он не нашел «никаких следов ее начала и никакой перспективы ее конца». Однако несмотря на эту лирическую прозу Хаттона, работа Клэр Паттерсон твердо установила дату начала этой истории. И хотя после 1950-х годов были достигнуты большие технические успехи в изучавшейся Паттерсон области изотопных измерений, ее главные выводы остались непоколебимы.

Цифра 4,5 миллиарда лет легко запоминается. И студенты и профессора геологии быстро привыкли к ней. И все же это — огромное число, слишком большое, чтобы понять его, исходя из человеческого опыта. Если выписать его со всеми нулями, тогда это число, может быть, несколько легче представить себе: 4 500 000 000 лет. Четыре с половиной миллиарда пенни составили бы стопку высотой около 6,5 тысячи километров, что несколько превышает расстояние от поверхности Земли до ее центра.

ПЕРВЫЕ 600 МИЛЛИОНОВ ЛЕТ

Хотя мы знаем, когда возникла Земля, следующая глава ее истории, в сущности, пуста. Ибо почти 600 миллионов лет после возникновения нашей планеты в ее летописи отсутствуют записи, соответственно представленные образцами горных пород. Древнейшие из обнаруженных пород найдены в Северо-западных территориях Канады. На основе анализа содержащихся в них изотопов свинца было установлено, что их возраст несколько превышает 3,9 миллиарда лет. Эти породы подверглись сильному метаморфизму, и поэтому трудно сказать что-либо определенное об их происхождении. Но тем не менее они не так уж сильно отличаются от многих других континентальных пород гораздо более молодого возраста. Таким образом, мы знаем, что уже 3,9 миллиарда лет назад существовали по меньшей мере какие-то фрагменты континентальной коры.

Вопрос о том, когда образовались первые континенты, давно вызывал острый интерес у геологов, поскольку очевидно, что для роста и эволюции земной коры потребовалось определенное геологическое время. Кажется вероятным, что до возникновения пород, имеющих возраст 3,9 миллиарда лет, должны были существовать какие-то небольшие континенты. Данные, которые приводят нас к этому заключению, редки, и найти их почти так же трудно, как пресловутую иголку в стоге сена. Но где следует искать такого рода данные? Ответ на этот вопрос представляет собой хороший пример того, как часто приходится работать геологам, используя настоящее как окно в прошлое. Мы знаем, что в наше время продукты эрозии накапливаются на краях континентов. Имеются веские основания ожидать, что и в прошлом ситуация не отличалась от нынешней. Даже самые древние материки должны были иметь берега и пляжи. Вполне вероятно, что если бы часть этих древнейших осадков сохранилась до нашего времени, они вполне могли содержать зерна минералов, происходящие из еще более древних эродированных континентов.

И вот, в поисках минеральных зерен, особенно устойчивых к разрушению при выветривании и переносе, геологам пришлось просеять немало образцов древнейших известных нам песчаников, которые, вероятно, откладывались вдоль береговых линий древних материков. Во время одного из таких поисков в Западной Австралии был случайно обнаружен прослой песчаника возрастом в 3,6 миллиарда лет. Некоторые из зерен в этой породе оказались старше самого песчаника и, по-видимому, пережили много циклов эрозии, отложения, уплотнения в твердую породу, поднятия и повторной эрозии. Уильям Компстон с коллегами из Австралийского Национального университета в Канберре обнаружили, что несколько зерен устойчивого к выветриванию минерала циркона из этих древних песчаников имеют возраст от 4,1 до почти 4,3 миллиарда лет.