Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом
Расшифровка скалистых записей
Геологи могут проследить историю Земли на протяжении почти 4,56 миллиарда лет. Они делят этот обширный промежуток на интервалы, которые отмечают основные вехи в геологическом летоисчислении. Раньше геологи называли эти интервалы по породам, образованным в соответствующий промежуток времени; но сведений о том, когда начинались и заканчивались эти эпохи, еще не было. Проставлять даты и создавать точную шкалу времени пришлось последующим поколениям ученых.
Под действием воды и ветра осколки древних пород и другие обломки камней образуют наносы, которые спрессовываются в осадочные горные породы – так они участвуют в грандиозном повторяющемся цикле преобразования камней на планете. Когда-то первые геологи обнаружили, что эти осадочные породы расположены слоями, в которых новое вещество накоплено поверх более старого. Уильям Смит, английский исследователь угольных месторождений и каналов начала XIX века, признал, что эти слои – или пласты – образуют правильные структуры в скалах и что чем глубже скала лежит под землей, тем более древними являются эти образования.
Конечно, не все так просто. В последовательно расположенных осадочных породах встречаются щели, или разрывы, где породы по какой-то причине не образовывались или были подвергнуты эрозии. И не все типы пород создают аккуратные слои. Породы вулканического происхождения образуются, когда расплавленная порода – магма или лава – затвердевает, и если при этом появляются слои, то они часто бывают неровными. Метаморфические породы образуются, когда температура и давление внутри Земли изменяют существующие породы так сильно, что появляются новые минералы. Движения в земной коре могут даже загибать старые осадочные слои таким образом, что они появляются поверх более молодых отложений.
Геологи, внимательно исследуя такие изгибы, строят стратиграфическую шкалу – разновидность геохронологической шкалы времени, – изучая и сопоставляя пласты на обширных территориях. Чтобы установить мировые корреляции, они используют события, которые оставляют заметные следы в одно и то же время на больших площадях. Одним из примеров является богатая иридием пыль от удара астероида, причастного к гибели динозавров в конце мелового периода (см. рис. 2.2). Более частый случай – крупные вулканические извержения, которые рассеивают пепел на больших площадях; пепел часто имеет отличительные химические признаки.
Окаменелости также являются полезными указателями. Идеальной для датирования эпохи является окаменелость, характеризующаяся повсеместным распространением и быстрым эволюционированием. Например, трилобиты широко используются для датирования кембрийского периода. На Земле существовало много разновидностей трилобитов, одни из них развивались раньше, другие позже; вымирали они тоже в разное время. Любой камень, который содержит определенную комбинацию этих окаменелостей, должен был сформироваться в определенном промежутке времени, когда жили эти существа. Исчезновение многих видов окаменелостей после массовых вымираний тоже является хорошим ориентиром.
Рис. 2.2. Геологическая шкала времени представляет собой иерархическую последовательность разных периодов. Границы между ними определяются различными маркерами, включая исчезновения видов.
Еще один современный указатель – слабое магнитное поле, характерное для некоторых пород. Остаточный магнетизм пород вулканического происхождения показывает, каким было направление магнитного поля Земли во время затвердевания этих пород. К счастью для геологов, северный и южный магнитные полюса планеты много раз менялись местами за ее историю. Периоды нормального и обратного магнетизма различаются по длительности, поэтому они образуют характерную картину, которую можно использовать для сопоставления последовательностей пород со всего мира.
С помощью таких указателей геологи могут расположить последовательности пород в нужном месте на стратиграфической шкале. Они также сравнивают последовательности пород одного и того же возраста по всему миру и выбирают те из них, которые являются наиболее полными, имеют четко выраженные слои залегания и содержат наиболее полезные окаменелости. Так выбираются «разрез» и «точка» глобального стратотипа границы между геологическими периодами или вбивается «золотой гвоздь» для этой границы (см. главу 9).
Радиометрическое датирование
Правильно расположить последовательности пород на стратиграфической шкале – это еще полдела. Нужно сопоставить каждую последовательность со своей хронологической датой. Лучшим способом для определения возраста горных пород является радиометрическое датирование, основанное на распаде радиоактивных изотопов.
Естественные часы, используемые геологами, представляют собой «период полураспада» этих изотопов – время, которое требуется для того, чтобы половина ядер в образце распалась. Допустим, период полураспада некоторого элемента составляет 100 лет, а у нас есть миллион атомов этого изотопа; тогда через 100 лет останется только половина атомов, а еще через сто лет – половина от этой половины, то есть одна четверть. Таким образом с течением времени порода будет содержать меньше атомов исходного радиоактивного изотопа и больше атомов тех изотопов, на которые этот исходный изотоп распадается.
Геологическое датирование осуществляется с помощью достаточно распространенных радиоактивных изотопов, которые имеют очень долгий период полураспада, сопоставимый с возрастом самих пород. Можно использовать семейства изотопов урана и тория, которые в итоге распадаются на свинец. Наиболее распространенным элементом является уран-238 с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет, результатом которого становится свинец-206. Хорошей точностью радиометрического датирования считается 0,25 %, когда возраст определяется с точностью до 250 000 лет для событий, происшедших 100 миллионов лет назад. Полученные таким образом даты позволили геологам провести точную хронологическую калибровку для ряда точек на геологической шкале времени.
Каким бы действенным ни был метод радиометрического датирования, у него есть важное ограничение: с его помощью нельзя определить точную дату отложения осадочных пород. Но даже здесь можно добиться определенных успехов, учитывая, что потоки лавы моложе, чем породы, по которым они протекали, и старше, чем осадочные породы, осевшие сверху. Лава – магматическая порода, подходящая для радиометрического датирования, и ее вполне можно использовать для определения хронологического возраста.
Иерархия датирования
Когда создавалась геологическая шкала времени, ученые датировали начало кембрийского периода по окаменелостям, свидетельствующим о наличии жизни. Все, что было раньше, назвали «докембрий». Позднее геологи нашли следы жизни и в докембрийской эре, но не стали сдвигать границу между кембрием и докембрием. Эта граница теперь отмечает появление животных с твердым панцирем.
Докембрий считается суперэоном и включает в себя три древнейших эона – самые длинные интервалы на геологической шкале времени. Это гадейский, архейский (что означает «зарождение») и протерозойский («ранняя жизнь») эоны. За ними последовал фанерозой («видимая жизнь»). Этот эон начался 541 миллион лет назад, и мы до сих пор в нем живем.
О фанерозойском эоне у геологов имеется гораздо больше сведений, чем о трех предыдущих. Поэтому фанерозой подразделяется на три эры: палеозойскую («ранняя жизнь»), мезозойскую («средняя жизнь») и кайнозойскую («современная жизнь»). Когда геология как наука только зарождалась, ученые ввели эти подразделения, руководствуясь наблюдениями изменений в окаменелостях. Теперь мы знаем, что на временно́й шкале существует несколько четких границ, которые отмечают глобальные вымирания – огромное количество видов исчезало за одно мгновение с геологической точки зрения.
Безусловно, самое массовое вымирание произошло в конце палеозойской эры при окончании пермского периода. Погибло около 80–90 % наземных и морских видов животных. Но исчезнувшая фауна проложила дорогу динозаврам, эволюция которых привела к тому, что они господствовали на планете Земля в мезозойскую эру. Динозавры, за исключением птиц, вымерли 65 миллионов лет назад в конце мезозойской эры, после того как астероид врезался в нашу планету. Это в свою очередь привело к процветанию первых млекопитающих, включая приматов.
Эры подразделяются на периоды, которые в основном получили свои названия в честь характерных скал или областей, в которых были найдены материальные свидетельства из соответствующего периода. Особенно поднаторели в этом деле британские геологи: кембрийский период был назван ими в честь латинского названия Уэльса – Кембрии; ордовикский и силурийский периоды названы в честь валлийских племен. Породы, характерные для девонского периода, были найдены, как вы уже догадались, в Девоне.
Периоды длятся в течение десятков миллионов лет, поэтому геологи делят их на еще более мелкие промежутки, называемые эпохами. Большинство из них важны только для специалистов, за исключением кайнозойской эры, где названия эпох широко используются благодаря хорошей точности в определении дат по более молодым породам. Эпохи становятся короче по мере приближения к настоящему моменту: чем ближе к современности, тем больше наши знания о последних событиях. Голоценовая эпоха охватывает только последние 11 000 лет – по сути, время, прошедшее с тех пор, как последние великие ледяные щиты растаяли в Европе и Северной Америке.
Как выглядела Земля в различные эоны
У Земли долгая история, в течение которой она прошла через удивительные преобразования. Все эффектные географические особенности, существующие на Земле сегодня, – ничто по сравнению с ее прошлым. Вот семь чудес нашего всеми забытого мира.
Реки глубоки, горы высоки (1 миллиард лет назад)
Миллиард лет назад, когда земные массивы Земли были единым суперконтинентом под названием «Родиния» (см. главу 5), мир был совершенно другим. Вся жизнь тогда была одноклеточной и существовала только в водной стихии, поэтому огромные просторы Родинии были совершенно бесплодными. Но отсутствие у Родинии биологического изобилия компенсировалось ее обширными речными системами и горными цепями (см. рис. 2.3).
Рис. 2.3. Разветвленные речные системы – подобные тем, которые были найдены в Арктике, – когда-то покрывали всю Родинию.
Около 1,2 миллиарда лет назад произошла «сборка» суперконтинента Родиния из фрагментов континентальных блоков; при этом большие куски коры поднялись, так же как это происходит сейчас при столкновении Индийской и Евразийской плит, в результате чего рождаются Гималаи. Горы в Родинии были, вероятно, не выше, чем сегодняшние. По словам геолога Дэвида Роули из Чикагского университета, выветривание разрушает горы по мере их образования, а гравитация определяет нагрузку, которую может выдержать земная кора, не испытывая прогибания. Если принять это во внимание, станет ясно, что высота горы Эверест – максимально возможная на Земле.
Если посмотреть на горы Родинии с другой стороны, то они действительно необычны. Сложите в длину горные цепи: Анды, Скалистые горы, Гималаи, Альпы, Атласские горы и Урал, – и вы получите представление о длине главной горной цепи Родинии. По словам Роберта Рейнберда из Геологической службы Канады в Оттаве, горный хребет тянулся через весь суперконтинент, а его длина составляла от 15 000 до 20 000 километров. Разрушенные остатки этого хребта все еще можно найти в Северной Америке и Европе, включая части Аппалачских гор и нагорья Шотландии.
Подобно тому, как горные хребты, такие как Анды и Гималаи, порождают великие реки в наше время, реки Родинии также рождались в горах. Но была существенная разница. Рейнберд считает, что поскольку не было никакой растительности, которая могла бы сдерживать реки в их движении, они просто беспрепятственно текли через пустынный ландшафт. Подобные речные системы, разветвленные на множество более мелких каналов, существуют сегодня на свободных от растительности возвышенностях Арктики, но на Родинии такие структуры отличались бо́льшим масштабом. Они были намного длиннее и шире, чем Амазонка, и питали безбрежные внутренние моря, превосходящие по величине любые сегодняшние моря на Земле, утверждает Рейнберд. Он и его коллеги обнаружили в разных концах Северной Америки, а также в Индии, Антарктиде, Скандинавии и Сибири осадочные отложения протяженностью 3000 километров, оставшиеся от гор Родинии.
Около 750 миллионов лет назад Родиния начала распадаться на части, при этом ломался и обширный горный массив. Примерно 300 миллионов лет назад массивные части суши снова собрались вместе и образовали новый суперконтинент – Пангею. К этому времени земля была уже покрыта растительностью. Таким образом, хотя на Пангее также могли быть длинные горные хребты, великие реки Родинии, возможно, являлись уникальным образованием в истории Земли.
Земля-«снежок» (700 миллионов лет назад)
Если вы хотите увидеть ледник возле экватора, то в наши дни вам придется взобраться на гору Кения или на эквадорские Анды; на высоте ледников воздух разрежен и трудно дышать. Еще 700 миллионов лет назад не нужно было тратить много усилий для того, чтобы увидеть лед. Тогда надо было постараться, чтобы найти не заледенелое место.
В то время планета неоднократно покрывалась льдом: Земля несколько раз проходила через ледниковые периоды, когда она напоминала гигантский космический снежок. Величайшее из оледенений – стуртианское – началось 716,5 миллиона лет назад. В течение нескольких лет суша и море по всему земному шару были поглощены слоями льда, толщина которых достигла нескольких километров. Эти льды растаяли только через 55 миллионов лет. Вся Земля была буквально одним большим снежным комом, как современная Антарктида – от полюса до полюса.
Многие геологи считают так вслед за Джозефом Киршвинком из Калифорнийского технологического института (Пасадена, Калифорния), который в начале 1990-х годов ввел термин «Земля-“снежок”». По его словам, древние ледниковые отложения, расположенные в тогдашних тропических широтах – например, в северо-западной части Канады, которая 700 с лишним миллионов лет назад располагалась вдоль экватора Земли, – повествуют о морском льде толщиной от 1,5 до 3 километров.
В этом же регионе можно найти причину возникновения стуртианского оледенения. Появление крупной магматической провинции Франклина – обширной области вулканических пород, покрывающих более 1 миллиона квадратных километров, – произошло незадолго до появления ледяных слоев. По-видимому, извержение супервулкана привело к выбросу на поверхность огромных объемов базальта, который быстро выветрился под тропическими ливнями; сопутствующие химические процессы вытянули из атмосферы огромное количество парникового газа – углекислого (СО2) (см. главу 6). Температура упала, и полярные ледяные шапки начали увеличиваться.
Начиная с того времени ход событий резко ускорился. Моря охлаждались и замерзали, а водяной пар – главный парниковый газ – испарялся во все меньших объемах. Оледенение быстро продвигалось к экватору, где температура упала до –50 °C; такой холод сегодня бывает только в самых холодных регионах планеты.
Чрезвычайно драматические события; возможно, поэтому идея Земли-«снежка» воспринята далеко не всеми геологами. Некоторые геологи склоняются к менее суровому варианту – «слякотная Земля». Но Киршвинк считает, что распространение ледниковых отложений по поверхности Земли, которое явно произошло в то время, неопровержимо свидетельствует в пользу его версии.
Стуртианское оледенение было не первым в истории Земли. Гораздо раньше, 2,4 миллиарда лет назад, Земля уже превращалась в «снежок». Тогда на планете появились микробы, которые расщепляли воду и поглощали большие количества углекислого газа из атмосферы в процессе фотосинтеза. Анализ этих событий показывает, насколько чувствительны связи между климатом Земли, геологией и биосферой.
Но вернемся к стуртианскому оледенению. В конце концов он завершился: углекислый газ просачивался в атмосферу из подводных вулканов, из-за чего та начала нагреваться, и во льду появились трещины. Оледенение закончилось почти так же быстро, как и началось.
Засушливые пустыни и сезоны дождей (250 миллионов лет назад)
Жуткие пейзажи и экстремальные погодные условия – такова была Пангея. Последний суперконтинент Земли сформировался около 300 миллионов лет назад и начал распадаться 125 миллионов лет спустя. На пике своего расцвета, 250 миллионов лет назад, Пангея имела С-образную форму, а в излучине ее кривой находилось древнее море Тетис с теплой водой. Со всех остальных сторон Пангею окружал другой гипотетический океан – Панталасса.
Центр континента, близкий к экватору, представлял собой пустыню. Сегодняшние величайшие пустыни Земли не идут ни в какое сравнение с той пустыней на Пангее. Это время относится к концу пермского периода, когда только-только произошло разрушительное массовое вымирание. Одной из его причин мог быть суперпарниковый климат, который сохранялся в течение нескольких миллионов лет и сделал необитаемой большую часть внутренней территории Пангеи. По словам Пола Вигналла из Лидского университета (Великобритания), который занимается исследованием палеоусловий, температура в эту пору на Пангее вполне могла достигать 50 °C.
К северу от этой огромной территории красноватой пыли возвышались могущественные центральные Пангейские горы, на которых зарождались мегамуссоны, низвергавшиеся потоками воды по краям моря Тетис – самое экстремальное зрелище на Пангее. Муссонные дожди возникают, когда увлажненный морской воздух задувает с моря на сушу и поднимается вверх; там он охлаждается, влага конденсируется, и начинается дождь. Вигналл предполагает, что вода в море была очень теплой, порядка 40 °C. Воздух тоже был горячим, а чем горячее воздух, тем больше влаги он может удержать. Громадные массы теплого влажного воздуха поднимались в горах на огромную высоту. Там они быстро охлаждались, и начинался потоп, в сравнении с которым современные муссоны выглядят как слабенький дождичек.
Вулканический апокалипсис (135 миллионов лет назад)
Добро пожаловать в печь, она же провинция Парана-Этендека. Если вас там не достанут динозавры, то от извержений вулканов спрятаться уж точно будет негде. Южная часть Пангеи – Гондвана – в течение уже нескольких миллионов лет уходит прочь от другой части материка, в результате отделяя Южную Америку от Африки. Этот разрыв стал одним из факторов, которые привели к знойному катаклизму. По мере того как раскол продвигался на север, земная кора становилась все тоньше. Тем временем перегретая часть мантии набухала, нагревая кору снизу. В конце концов магма прорвалась и затопила землю (см. рис. 2.4).
Рис. 2.4. Извержения-взрывы были характерной чертой Гондваны.
Траппы Парана-Этендека – современный остаток этого явления; это массивы базальта, покрывающие более 1,3 миллиона квадратных километров сегодняшних Бразилии, Уругвая, Парагвая, Аргентины, Намибии и Анголы. Происходившие вулканические явления по большей части напоминали вулканизм, который привел к образованию Исландии, – пассивный, мягкий, с редкими вспышками. Но иногда происходили очень мощные извержения. Максимум на шкале вулканических извержений равен 8 баллам, что приравнивается к «апокалиптическому» уровню (перед ним идет «мегаколоссальный»). Такой уровень соответствует событию, во время которого выбрасывается более 1000 кубических километров породы – таково было извержение супервулкана Тоба в Индонезии 75 000 лет назад. Траппы Парана-Этендека породили по меньшей мере девять апокалиптических извержений в течение нескольких миллионов лет. Насколько мы знаем, это были самые сильные извержения в истории Земли.
На основании актуальных событий в Южной Америке и в Африке можно предположить, что во время самых крупных извержений выделялось по меньшей мере 8600 кубических километров породы; возможно, до 26 000 кубических километров. Если учесть, насколько далеко разлетаются пепел и газ, этого материала хватит, чтобы покрыть всю Великобританию слоем в 100 метров. Событие такого масштаба испепелит и задушит все живые организмы на сотни километров во всех направлениях. Лава от одного из извержений растеклась на 650 километров.
Немыслимое количество пепла поднялось в верхние слои атмосферы, омрачив небо Гондваны на долгие годы. По словам Сары Додд из Имперского колледжа Лондона, этот пепел в сочетании с сульфатными аэрозолями, образовавшимися в результате извержения, отражал солнечное излучение обратно в космос, и весь мир быстро погрузился в вулканическую зиму. Масштабное уничтожение растительной жизни разрушило всю местную пищевую цепь и стало причиной вымирания многочисленных динозавров.