Зачем нужна геология. Краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Глава 2
Создание нашей планеты

В 1969 году – том самом, когда астрологи предсказывали большое землетрясение в Калифорнии – на другом краю света разворачивались события, которые привлекли внимание геологов, и их последствия оказались весьма значимыми. Японские ученые, работавшие в Антарктиде, наткнулись на небольшие темные камни, рассеянные по поверхности льда. В этом не было ничего необычного – за исключением того, что регион покрыт снегом и льдом, и никакого местного источника камней попросту не имелось. Как выяснилось, источник оказался не местным – камни были метеоритами и прилетели из космоса.

Но возникла новая загадка. Давно известно, что на планету падает много внеземных материалов – большинство оценок дает величину примерно в сто тонн в день. Однако в основном это крошечные частицы, которые сгорают в атмосфере (такие падающие звезды мы видим в ночном небе), и только очень небольшая часть попадает на Землю в виде заметных метеоритов. Две трети нашей планеты покрыто океанами, и большинство метеоритов попадает в море и там остается. Очень мало людей наблюдало падение метеорита, и вы наверняка не видели их лежащими у себя в саду или в местном парке. Поэтому многочисленные метеориты на антарктическом льду вроде бы не поддавались объяснению. Что же такого особенного в южном континенте, что он собрал больше метеоритов, чем есть где бы то ни было еще?

Как нередко бывает с первоначально загадочными явлениями, нашлось вполне рациональное объяснение. Вскоре оказалось, что помог следующий процесс: метеориты падали в Антарктиде десятки тысяч лет, постепенно накапливались, а затем попадали в небольшие области, известные как области «голубого льда». В одной из этих областей работали японские ученые. Голубой лед возникает в тех местах, где толстые ледники, медленно стекающие с внутренней части континента, натыкаются на какой-то скрытый топографический барьер, например, горный хребет, и их выталкивает вверх. Когда слой льды достигают поверхности, постоянные сильные ветры и сухой воздух Антарктиды разрушают и уносят его, а принесенные ледником метеориты остаются лежать на поверхности. Это похоже на случаи отложения камней и гальки в пустынях, когда ветры сдувают мелкие песчинки, оставляя более тяжелый грубый материал. Подобно гигантской конвейерной ленте, антарктический лед переносит метеориты, выпавшие за тысячи лет, в несколько небольших участков, где лед просто исчезает, а космические камни остаются. После 1969 года в области голубого льда регулярно летом устраивают экспедиции для сбора метеоритов. Ученые всего мира приезжают на континент для таких поисков. Всего за несколько десятилетий найдены десятки тысяч новых образцов, что многократно увеличило запасы в мировых коллекциях.

В чем причина такого интереса к метеоритам? В том, скажут вам многие геологи, что они представляют собой ключи к пониманию того, как сформировалась Земля и Солнечная система. На первый взгляд метеориты не особо отличаются от большинства земных пород. Однако детальное их исследование показывает, что отличия очень велики, и в этом обнаруживается ключ к разгадке их возраста и происхождения. Некоторые древние культуры почитали метеориты, поскольку верили, что те были присланы богами; сегодня их почитают ученые, поскольку эти породы приносят информацию о самых первых эпохах истории Солнечной системы. Почти все метеориты, датированные с помощью радиоизотопных методов, описанных в предыдущей главе, имеют возраст, близкий к 4,5 миллиардам лет, что значительно старше самых старых земных пород. Самый распространенный вид метеоритов – «хондриты» – содержит намеки на те типы материалов, которые пошли на строительство нашей планеты. Действительно, минеральные комплексы в некоторых хондритах, вероятно, во многом представляют состав пород, образовавших Землю.

Хондриты – лишь один из типов метеоритов; все они древние, у каждого есть собственная история, и каждый содержит сведения о том, как создавалась и развивалась наша планета. Например, железные метеориты состоят из твердого железа, которое всегда содержит примесь никеля. Это указывает на то, что такие метеориты – аналоги металлических ядер, находящихся в центре планет (о железном ядре Земли мы поговорим далее в этой главе). Если у вас есть возможность посетить Американский музей естественной истории в Нью-Йорке^[11], вы можете прикоснуться к фрагменту одного из таких железных метеоритов, который, вероятно, некогда был частью ядра небольшого астероида. При возрасте в 4,5 миллиарда лет он, несомненно, окажется самым старым предметом, к которому вы когда-либо прикасались. Этот массивный кусок железа массой примерно 34 тонны взят от одного из самых крупных известных метеоритов – метеорита Мыс Йорк, названного (как и все метеориты^[12]) по месту находки – в нашем случае по названию мыса Йорк на северо-западе Гренландии. Он был «открыт» в 1894 году американским исследователем Робертом Пири (инуиты знали его уже много веков и использовали в качестве источника железа). Датирование показывает, что метеорит Мыс Йорк упал на Землю примерно 10 тысяч лет назад, распавшись при пролете через атмосферу на множество частей. Образец в Музее естественной истории – самый крупный из многочисленных фрагментов этого тела, выставленных в музеях мира.

В отличие от железных метеоритов, хондриты состоят из месива минеральных зерен, многие из которых встречаются и в земных породах, но кроме них включают никелистое железо, которого в земных породах нет, а также мелкие похожие на мрамор сферические зерна, называющиеся «хондрами»^[13] (отсюда и название этого типа метеоритов). Хаотическая текстура хондритов указывает на то, что они образовывались случайным образом из различных компонентов. Их текстура также свидетельствует об очень важном признаке: они никогда не плавились целиком. Более того, отдельные минеральные зерна в хондритах имеют самый древний возраст, когда-либо измеренный с помощью радиоизотопного датирования: они датируются первыми днями существования Солнечной системы. Благодаря этим двум свойствам изучающие их геохимики пришли к выводу, что хондриты приносят нам то, чего мы не можем найти на Земле или в других разновидностях метеоритов: образец того исходного материала, из которого образовались Земля и соседние планеты. Похоже, это неизмененные образцы твердой материи, которая летала в Солнечной системе в момент рождения Земли; есть веские доказательства, что их источник – небольшие астероиды, которые никогда не становились достаточно крупными, а потому не нагревались и не плавились.

Примитивная природа хондритов сделала их основным источником информации об общем химическом составе Земли. Вы можете спросить, почему ключевую роль играют такие редкие камни, когда прямо под ногами у нас вся планета – бери и анализируй. Вы можете также спросить, зачем вообще знать общий состав Земли. Вкратце ответ таков: если мы хотим понять, как Земля дошла до нынешнего своего состояния, нам нужно кое-что знать о ее первоначальном общем составе. Его нелегко установить, когда наш доступ к породам осуществляется только через тонкую внешнюю оболочку планеты, которая сильно отличается от недоступной внутренней части. Однако, используя информацию от хондритов как своего рода проверку в реальных условиях, объединяя данные прямых измерений поверхностных пород и сведения о внутренности планеты, полученные с помощью дистанционного зондирования, геохимики смогли разработать модели для общего состава Земли, которые можно подтвердить независимыми свидетельствами – например, данными о плотности нашей планеты.

Важная при изложении таких моделей идея – то, что состав Земли и других планет земной группы (это внутренние планеты Солнечной системы – Меркурий, Венера, Земля, Марс) зависит от пропорций основных минералов, найденных в хондритах. Яркий пример – железо: хорошо известные различия в плотности планет земной группы можно практически полностью объяснить различным содержанием железа в них. В хондритах много зерен железа, однако их количество в разных хондритах отличается. Согласно таким моделям, Земля намного тяжелее Марса, потому что ее хондритоподобные строительные блоки содержали больше железа. Точно так же и другие различия между внутренними планетами можно понять, если оперировать различными количествами компонентов хондритов. Несомненно, это чересчур упрощенное описание того, что происходило в реальности, однако это не отменяет важности хондритов как хорошей отправной точки для понимания состава Земли и других планет. Разные планеты в итоге включали разное количество тех или иных составляющих этих метеоритов.

Но даже если метеориты дают хорошее представление о химическом составе Земли, они мало что говорят нам о процессе формирования планет. Что заставило сформироваться нашу планету 4,5 миллиарда лет назад? Кое-что можно узнать по метеоритам, однако большая часть сведений исходит из других источников, особенно из астрономических теорий и наблюдений.

В 1990 году НАСА запустило ныне знаменитый космический телескоп «Хаббл». Несмотря на то, что поначалу обнаружились проблемы с оптикой, с ними в конце концов справились, и с тех пор аппарат отправлял четкие потрясающие фотографии других далеких миров. Среди самых захватывающих объектов – исполинские облака в местах, которые мы привыкли считать «космической пустотой». Эти облака были хорошо известны астрономам и до запуска «Хаббла», однако снимки космического телескопа особенно красивы. На них видны огромные, неправильные, клочковатые, хаотичные, а иногда даже грозные на вид облака из газа и пыли. Оказывается, в этих повергающих наблюдателя в трепет областях зарождаются новые звезды и планеты.

С помощью телескопов, подобных «Хабблу», астрономы смогли непосредственно наблюдать за образованием звезд в межзвездных облаках. Другие астрономические наблюдения показывают, что у многих звезд есть обращающиеся вокруг планеты. (Эти наблюдения трудны, и до сих пор астрономы находили планеты гораздо крупнее Земли. Тем не менее, с 1995 года уже обнаружены сотни экзопланет, и большинство ученых полагает, что обнаружение маленьких землеподобных планет у других звезд – всего лишь вопрос времени и совершенствования технологий). Таким образом, имеющиеся факты заставляют предположить, что системы, подобные Солнечной, вполне обычны, и что материал, из которого состоят Солнце и планеты, когда-то был частью межзвездного газопылевого облака, похожего на те, что наблюдает «Хаббл». Прямые наблюдения показывают, что основными компонентами этих облаков являются водород (самый распространенный элемент во Вселенной) и гелий. Однако они включают и другие вещества – в частности, множество твердых «пылевых» частиц: микроскопические кристаллики замерзших соединений, содержащих водород (например, метана, аммиака и обычной воды); крохотные частички глины; зерна некоторых других минералов, имеющихся и на Земле.

Но каким образом это гигантское облако превращается в звезды и планеты? Прежде всего следует заметить, что межзвездные облака неоднородны: они хаотичны, и в одних областях содержится больше материи, чем в других. Эти плотные области – сами по себе или из-за какого-то внешнего фактора – начинают притягивать к себе материал из других мест. Как только процесс гравитационного притяжения начался, он делается самоподдерживающимся: чем плотнее становится центральная область, тем сильнее притяжение. Вскоре какая-то часть рассеянного облака превращается в очень плотное и очень горячее центральное тело – будущую звезду, вокруг которой вращается диск из оставшегося более холодного вещества – материала для формирования планет. Межзвездные облака так велики, что даже из одной их части может образоваться сразу несколько звездных систем.

Данные, полученные из некоторых метеоритов, позволяют предположить, что спусковым крючком для гравитационного коллапса, который привел к формированию нашей Солнечной системы, была вспышка недалекой сверхновой. Сверхновые – это взрывающиеся звезды, и, хотя астрономы выделяют несколько их типов, все они гораздо крупнее Солнца. Когда у массивной звезды заканчивается топливо в ядре, происходит катастрофа: центральная область нагревается до такой высокой температуры и сжимается до такого высокого давления, что в результате термоядерной реакции происходит гигантский взрыв, который буквально разрывает звезду на части и выбрасывает ее внешние слои в космос. Этот взрыв также порождает гигантские ударные волны, распространяющиеся наружу: они могут сжимать достаточно плотные части межзвездного облака и запускать процесс формирования звезд и планет.

По оценкам астрономов, во Вселенной примерно каждую секунду происходит взрыв сверхновой. Даже если вы читаете достаточно быстро, с момента, как вы начали читать этот абзац, во Вселенной взорвалось примерно полдюжины сверхновых. Однако Вселенная обширна, и даже при таком их количестве взрывы сверхновых в окрестностях Солнечной системы относительно редки. Последний случай, когда взрыв был виден невооруженным взглядом (но при этом происходил все равно очень далеко), произошел в 1604 году. Когда сверхновые появляются, они внезапно загораются на небе, словно новые звезды, затем ярко светятся несколько недель или месяцев, а после постепенно исчезают. Китайские астрономы фиксировали появление сверхновых почти две тысячи лет назад (хотя они и не представляли, что это такое).

Всплеск энергии, сопровождающий взрыв сверхновой, запускает ядерные реакции, которые создают множество радиоактивных изотопов. Они, как и другое вещество взорвавшейся звезды, выбрасываются в космос. Физики-ядерщики детально рассчитали, какие изотопы и в каких количествах производятся при таких взрывах. Примечательно, что минеральные зерна в некоторых хондритах содержат следы этих изотопов. Эти зерна, которые (как указывают другие факты) сформировались в диске вокруг зарождающегося Солнца, очевидно, по мере своего роста захватили материал сверхновой. Некоторые радиоактивные изотопы, которые они содержат, распадаются так быстро, что их бы не наблюдалось (они бы полностью распались), если бы между взрывом и образованием минералов прошло больше нескольких миллионов лет. Метеориты говорят, что недалекий взрыв сверхновой выбросил свои продукты в газопылевое облако незадолго до того, как начала формироваться Солнечная система. Возможно (и даже вероятно), что ударная волна от этого взрыва стала спусковым механизмом для гравитационного коллапса, который быстро привел к образованию нашего Солнца, хондритов, планет и в конечном итоге нас самих.

Компьютерное моделирование показывает, что как только в какой-то части межзвездного облака начинается коллапс, то стремительно формируется плоский вращающийся диск материи с протозвездой (в нашем случае с протосолнцем) в центре. Когда материя, окружающая протозвезду, начинает сжиматься в диск, она нагревается до высоких температур – настолько высоких, что из межзвездного облака испаряются все или почти все пылевые частицы. Наблюдения подтверждают эти теоретические выкладки: астрономы обнаружили диски из газа и твердых частиц, окружающих формирующиеся звезды, а исследования хондритов показывают, что многие их минеральные составляющие выпали в осадок из горячего вещества диска при его охлаждении. В метеоритах удавалось обнаружить лишь незначительное количество неизмененных пылевых частиц, оставшихся от межзвездного облака.

Имеются некоторые наблюдения, которые помогают нам разобраться в процессах, превративших протосолнце и окружающий его горячий диск в современную Солнечную систему; однако большей частью мы вынуждены полагаться на компьютерное моделирование. Далее идет очень краткое описание того, как ученые представляют себе этот процесс. Сначала (это один из самых надежных фактов во всей истории) протосолнце поглотило почти всю окружающую материю и стало в достаточной степени плотным и горячим, чтобы внутри него пошли реакции ядерного синтеза. Это было настоящее рождение нашего Солнца: реакция превращения водорода (преобладающего элемента в химическом составе Солнца) в гелий была и остается основным источником его энергии. Солнце содержит 99,9 % всего вещества в Солнечной системе, однако оставшегося материала хватило, чтобы появились все остальные ее обитатели – планеты, их спутники, астероиды и кометы.

Когда диск вокруг юного Солнца остыл, из газов начали выпадать минеральные зерна, а по мере увеличения их количества они стали сталкиваться друг с другом, двигаясь по своим орбитам вокруг Солнца. Компьютерное моделирование показывает, что при столкновении мелкие зерна обычно слипаются, а потому средний размер объектов в диске быстро увеличивался. Вскоре большая часть мелких зерен превратилась в камни – вероятно, размером от кулака до валуна. Однако путь от валунов до планеты размером с Землю непрост: сталкивающиеся валуны будут скорее разваливаться, чем слипаться, а оставшийся в диске газ создает сопротивление, которое замедляет движение этих тел по орбитам и заставляет их приближаться по спирали к Солнцу – в итоге они станут не планетами, а частью звезды. Недавние исследования предполагают, что важную роль в соединении камней в более крупные тела сыграла турбулентность в диске: кружащиеся тела размером с валун соединялись в кластеры без сильных столкновений. Когда такие кластеры становятся достаточно большими, гравитация объединяет их в «планетезимали» – слабо связанные тела, являющиеся предшественниками планет; их размер, возможно, составлял несколько сотен километров в поперечнике.

По современным оценкам, переход от газопылевого облака к первобытному Солнцу, окруженному планетезималями, занял примерно 10 миллионов лет. По мере того как планетезимали продолжали расти, собирая все больше материи из окружающего пространства, самые крупные из них обгоняли соседей и забирали себе все вокруг. Постоянный дождь из камешков, валунов и планетезималей, падающих на поверхность растущих планет, быстро нагревал их, и внешние части некоторых из них могли полностью расплавиться.

В этом хаотичном жестком процессе быстро росла и Земля, впоследствии ставшая самой крупной из внутренних планет. Она тоже нагревалась, поскольку падающие тела передавали ей свою энергию. Наша планета стала настолько горячей, что железо в накопленном материале (вспомните, что хондриты содержат массу зерен железа) начало плавиться. Будучи очень плотным, жидкий металл стал погружаться и образовал ядро Земли. Существует масса геохимических данных (они слишком обширны, чтобы излагать здесь подробно, и многие из них были получены за последние несколько десятилетий), которые подтверждают, что металлическое ядро сформировалось на самой ранней стадии жизни Земли, когда планета еще росла. Сегодня, спустя 4,5 миллиарда лет, железное ядро все еще частично расплавлено – это пережиток того первого высокотемпературного отрезка времени. Аналогичным образом железное ядро появилось и у других планет земной группы, а также у планетезималей, которые стали астероидами, а не планетами. Железные метеориты вроде Мыса Йорк – это, вероятно, фрагменты таких ядер, полетевших к Земле после того, как их родительские астероиды столкнулись с другими. Эти железные метеориты рассказывают нам, на что похоже ядро нашей собственной планеты.

Но когда Земля уже почти достигла нынешнего размера и образовала железное ядро, в ее формировании была написана еще одна важная глава. Удивительно, но узнать об этом событии мы смогли, задавая вопросы о Луне, а именно: почему плотность нашей соседки так сильно отличается от плотности Земли? И если Луна – всего лишь блуждающая планетезималь, захваченная Землей (эта теория появления Луны была некогда популярной), то почему анализ горных пород, привезенных с Луны астронавтами «Аполлона», показывает, что наш спутник имеет близкое геохимическое сходство с Землей? На эти и другие вопросы о происхождении нашего спутника ответила гипотеза ударного формирования Луны. Впервые она появилась в 1970-е годы, когда опубликовали данные анализа лунных пород, но с тех пор ее уточняли и подтверждали новыми фактами.

В основе ударной модели лежит предположение, что к концу формирования планет в Солнечной системе в Землю врезалось крупное тело размером примерно с Марс. Это столкновение выбросило в космос материал, который от энергии удара частично перешел в газообразное состояние, но в итоге охладился и образовал Луну. Эта гипотетическая ударившая планета получила название Тейя – в честь древнегреческого божества, матери Селены (богини Луны).

Гипотеза ударного формирования сейчас является наиболее правдоподобным объяснением возникновения нашего спутника. Данные изотопных исследований для земных и лунных пород показывают, что столкновение должно было произойти примерно через 40–60 миллионов лет после рождения Солнечной системы. К тому времени большая часть земного железа уже осела в ядре, и, скорее всего, тот же процесс произошел и в ударившем теле. По этой причине материал, вылетевший в космос, должен был состоять только из внешних, каменистых частей обоих тел: моделирование столкновения показывает, что плотное металлическое ядро Тейи могло пройти через внешнюю оболочку Земли и слиться с ядром нашей планеты. Такой сценарий полностью соответствует низкому содержанию железа на Луне и, как следствие, ее низкой плотности.

Образовавший Луну удар добавил больше вещества Земле, нежели выбил из нее, и это фактически завершило создание нашей планеты, приблизив ее к нынешнему размеру. Бомбардировка мелкими и крупными объектами продолжалась (как мы видели, сейчас на Землю ежедневно падает по сотне тонн внеземной материи), однако значительный рост массы прекратился. Как выглядела эта ранняя Земля? Мы не знаем, поскольку поверхностных горных пород того периода у нас нет. Однако некоторые намеки дают лунные породы.

Одним из первых сюрпризов для изучавших лунные породы оказался тот факт, что значительная часть внешней оболочки Луны была расплавлена еще на ранней стадии ее истории. Планетологи, развивавшие новую концепцию, назвали этот расплавленный внешний слой «магматическим океаном» (магма – это геологический термин для расплавленных пород). Прийти к выводу о существовании магматического океана на ранних стадиях жизни Луны можно только потому, что наша спутница геологически неактивна, а это означает, что на ней сохранились многие из первых образовавшихся пород. Работа с образцами, собранными во время миссий «Аполлонов», показывает, что горные районы – светлые пятна на поверхности Луны – являются остатками каменистой коры, некогда покрывавшей Луну и образовавшейся при охлаждении и кристаллизации океана магмы. После того как появилась концепция магматического океана, геологи задались вопросом: не происходило ли подобное и на Земле? В частности, сразу после удара, который привел к образованию Луны, наша планета могла быть достаточно горячей, чтобы поддерживать на поверхности океан магмы; однако надежных доказательств его существования пока не найдено.

Существовал магматический океан на нашей планете или нет, но процесс разделения (тот самый, который заставляет железо плавиться и опускаться к центру, выталкивая при этом наружу каменистый и относительно бедный железом материал) привел к образованию у нашей планеты тонкой внешней коры. Однако химический и минеральный состав этой коры сильно отличается от состава нижележащей материи. Вид Земли в разрезе (рисунок 3) показывает три химически разных слоя: ядро, мантия и кора. Формирование ядра и мантии, как описано выше, было достаточно простым и легким для понимания. А вот кора – совершенно другая история. Она составляет менее 1 % от объема Земли, а поскольку ее плотность ниже плотности других частей планеты, то на нее приходится еще меньшая доля массы. Если представить Землю как большое яблоко, то кора оказалась бы значительно тоньше кожуры. Однако несмотря на свой малый объем, именно кора чрезвычайно важна для нас, поскольку таит в себе все ресурсы, необходимые для человеческой цивилизации.

Почему кора так отличается от подстилающей мантии? Это сложный вопрос, и ответ был найден только спустя десятилетия наблюдений и экспериментов. Простой, хотя и не вполне точный способ вообразить себе процесс образования коры – представить его как дистилляцию, когда берется большая партия исходного материала (мантия), а в конце получается небольшое количество концентрированного вещества (кора), которое включает только некоторые из исходных компонентов. Это происходит, когда минералы мантии плавятся, и менее плотная жидкая магма стремится к поверхности. Среди веществ, выделенных таким образом из мантии и перенесенных в кору, оказываются многие материалы, важные для современной жизни – например, алюминий и многие редкие металлы. Во время этого процесса извлекаются также вода и различные газы; это можно увидеть на примере вулканической пемзы: ее структура, напоминающая швейцарский сыр, представляет собой застывший отпечаток газов (в основном водяного пара и двуокиси углерода), которые были растворены в магме, но во время приближения жидкой породы к поверхности стали пузыриться. Таким образом, процессы, образовавшие кору, не только создали привычные породы на поверхности Земли, но и в значительной степени отвечают за наполнение водой ее океанов и появление газов в ее атмосфере.

Рисунок 3. Внутреннее строение Земли. Металлическое ядро состоит в основном из железа, хотя оно содержит также и другие элементы – в частности, никель. Ядро медленно затвердевает изнутри: его внутренняя часть твердая, а внешняя жидкая. Далее идет мантия из каменистого материала, которая составляет большую часть нашей планеты. Кора образует тонкую пленку на поверхности Земли; она также состоит из различных каменистых пород, но у нее совершенно другой минеральный и химический состав.

В этой короткой главе мы проследили путь от межзвездного облака к нашей замечательной голубой планете с железным ядром, каменной мантией и корой^[14], глубокими океанами и мощной атмосферой, – в той мере, в которой он нами изучен. В космических масштабах этот процесс длился недолго, и примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля сформировалась полностью. С тех пор процессы развития планеты шли в различных направлениях, и с ними мы познакомимся в следующих главах. Также Земля продолжала притягивать всякий космический хлам, остававшийся на орбите вокруг Солнца после первоначального короткого промежутка формирования планеты. Как мы увидим в следующей главе, некоторые фрагменты этого хлама оказали на Землю в буквальном смысле глубокое влияние.