История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Первый океан

По самым осторожным оценкам, начальные запасы летучих веществ на Протоземле более чем в 100 раз превышали их нынешний объем на Земле. Одна из основных проблем в исследовании летучих элементов заключается в том, чтобы определить, сколько их было и как они исчезли.

Кое в чем мы можем быть уверены. С самого первого дня огромное количество летучих веществ выбрасывалось наружу по мере того, как громадные вулканы извергали из глубин Земли гигантские клубы пара в стремительно густеющую атмосферу. В первые несколько миллионов лет существования Протоземли ее атмосфера была во много раз плотнее, чем сейчас. На протяжении миллионов лет из нее на поверхность планеты обрушивалась вода, охлаждая первую твердь и образуя обширные, но мелкие океаны.

А затем Великое столкновение сдуло прочь всю атмосферу. Почти все молекулы, оказавшиеся на поверхности, исчезли в космическом пространстве, словно кто-то нажал гигантскую кнопку перезагрузки. У нас нет достоверных данных, какие объемы азота, воды и других летучих элементов при этом испарились, но явно колоссальные. В течение последующих пяти миллионов лет множество небольших каменных глыб, около 150 км в диаметре, обрушивались на поверхность Земли, вызывая невообразимые разрушения, и каждый раз при этом испарялась значительная часть океанов, уменьшая запас летучих веществ.

И все же в течение нескольких миллионов лет после Великого столкновения водяные пары снова стали основным компонентом первозданной атмосферы, где постоянно бушевала буря, клубились темные тучи, завывал ветер, сверкали молнии и беспрерывно шел проливной дождь. Омываемая ливнями базальтовая кора остывала и твердела, а глубокие провалы постепенно заполнялись водой, образуя океаны. На какое-то время над земной поверхностью сформировалась глобальная сауна, поскольку тонкая пленка поверхностной воды проникала в трещины и расщелины, попадая на раскаленные камни земных недр и возвращаясь на поверхность в виде колоссальных гейзеров из пара и перегретой воды. Такое интенсивное взаимодействие воды и раскаленных камней ускоряло охлаждение коры, образуя все более глубокие водоемы, озера, океаны.

Невозможно подсчитать, сколько времени понадобилось на формирование Мирового океана, но свидетелем этого процесса оказываются древнейшие на земле кристаллы. Некоторые из самых древних горных пород можно обнаружить в слоях осадочных отложений, возрастом более трех миллиардов лет, вскрывающихся в районе горного массива Джек-Хиллс среди засушливых плоскогорьев Западной Австралии. Минералы и горные породы размерами с песчинку, которые слагают эти отложения, образовались в процессе эрозии давно исчезнувших массивов гораздо более древнего возраста. Малая часть этих песчинок, примерно одна на миллион, состоит из циркона – силиката циркония (ZrSiO4), одного из прочнейших в природе материалов.

Отдельные зерна циркона, размером меньше точки в конце предложения, первоначально сформировались как акцессорные минералы вулканических пород. Представьте себе твердеющий расплавленный базальт, в котором содержатся только следовые количества циркония. Большинство химических элементов, редких или распространенных, легко входит в кристаллические структуры пироксена, оливина или полевого шпата. Но цирконию нет места в обычных минералах. Он стремится обособиться, образуя обособленные крошечные кристаллики.

Эти неприметные кристаллики циркона в силу целого ряда обстоятельств стали уникальным источником сведений о ранних стадиях развития Земли. Во-первых, цирконы могут существовать практически вечно (по крайней мере пока существует Земля). Единичный кристалл циркона вымывается из одной породы (возможно, из вулканического вещества, где он изначально образовался), потом становится частью осадочного слоя песчаника, затем выветривается из него снова и снова – и так продолжается миллиарды лет. Одно и то же зерно циркона может пройти через десяток различных, последовательно образующихся и разрушающихся осадочных пород.

Во-вторых, по кристаллам циркона можно определять геологический возраст, поскольку они часто включают уран, который может составлять примерно 1 % от общего числа их атомов. Радиоактивный уран с периодом полураспада в 4,5 млрд лет является самым точным секундомером в природе. Как только кристалл циркона сформировался, атомы урана оказываются запертыми в нем и начинают распадаться с постоянной скоростью; половина из них распадается в среднем за 4,5 млрд лет, при этом каждый трансформируется в стабильный атом свинца. Соотношение распадающихся материнских атомов урана и образующихся дочерних атомов свинца позволяет точно определить возраст кристалла циркона.

Наконец, два из каждых трех атомов циркона состоят из кислорода, что позволяет определить температуру образования кристалла. Вспомним, что одним из свидетельств образования Луны оказалась характерная пропорция устойчивых изотопов кислорода: Луна и Земля имеют одинаковое соотношение кислорода-16 к кислороду-18, что свидетельствует о том, что они образовались на равном удалении от Солнца. Подобным же образом, через соотношение кислорода-16 и кислорода-18, можно определить температуру, при которой образовался кристалл циркона: более тяжелые образцы, обогащенные кислородом-18, указывают на более низкую температуру образования. Для вулканических пород такая температура может служить показателем содержания воды в магме, в которой вырос кристалл циркона, потому что вода снижает температуру кристаллообразования. Более того, соотношение изотопов в воде, близкой к поверхности, тяготеет к преобладанию тяжелого кислорода, так что кристаллы циркона с высоким содержанием кислорода-18, с большой долей вероятности, взаимодействовали с поверхностной водой.

Таким образом, кристаллы циркона в древнейших горных породах могли пережить много циклов отложения и эрозии, сохраняя данные о возрасте, температуре и наличии воды в окружающей среде во время образования. Всю эту информацию хранят кристаллы, едва заметные невооруженным глазом!

Подводя общий итог, можно сказать, что многие кристаллы циркона из горного массива Джек-Хиллс в Австралии имеют одинаковый возраст, превышающий 4 млрд лет, но возраст одного самого древнего зерна приближается к умопомрачительным 4,4 млрд лет. Этот древнейший из известных кристаллов циркона – поистине самый старый из сохранившихся твердых фрагментов Земли – имеет поразительно богатый кислородом состав. Некоторые исследователи полагают, что 4,4 млрд лет назад, когда Земле было всего 150 млн лет от роду, ее поверхность была сравнительно прохладной и сырой, следовательно, в то время существовали океаны.

Однако другие ученые не вполне согласны с этой гипотезой. Они указывают на то, что кристаллы циркона могут быть невероятно сложными: это зерно возрастом 4,4 млрд лет, как практически и все слегка более молодые собратья из Джек-Хиллс, обладает древним кристаллическим ядром. Детальное изучение строения отдельных кристаллов выявило наличие концентрических слоев более молодого циркона, выросшего вокруг более старых слоев. Совсем нередко бывает так, что наружная оболочка отдельного кристалла моложе его ядра как минимум на миллиард лет, что соответствует сложным вариациям содержания изотопов кислорода. Если более древнее ядро кристалла подвергалось изменениям в течение очередных стадий роста кристалла, то данные об истинном состоянии земной поверхности в далекой древности могут быть скрыты.

Как бы то ни было, в истории с цирконом большинство специалистов сходятся в том, что не более 100 млн лет спустя после Великого столкновения Земля превратилась в сверкающую голубой водой планету, покрытую океаном километровой глубины. Из космоса она, должно быть, выглядела ярко-голубым мраморным шаром, над которым вились отдельные белые облака, но в целом преобладал ультрамарин. (Цвет океана обусловлен простыми законами физики. Солнечный свет, отражаясь от поверхности воды, сочетает все цвета радуги – красные, желтые, зеленые и синие оттенки, но вода сильнее поглощает красную часть спектра, так что нашему зрению преимущественно предстают волны света из синей части спектра.)

А как же суша? Ныне почти треть земной поверхности составляют континенты, но на заре времен, в огненный гадейский период континенты еще не сформировались. Лишь кое-где среди волн первозданного голубого океана вздымались исходящие паром вулканические острова. Их конические очертания и узкие, черные щебнистые осыпи изредка нарушали однообразный водный простор между полюсами и экватором.

Обращаясь мысленно к опоясывающему Землю древнему океану, мы пытаемся вообразить, каким он был. Был ли он горячим? Возможно, в самом начале, учитывая медленно остывающий под ним океан магмы. Был ли он пресным или соленым? Вода современного океана отличается соленостью, но почему бы не предположить, что первоначальный океан на Земле был пресным, поскольку в воде тогда растворилось мало химических элементов, и лишь постепенно обретал нынешнюю соленость. Однако недавние исследования показывают, что горячий первоначальный океан очень быстро стал гораздо более соленым, чем сегодня. Обычная поваренная соль (NaCl) легко растворяется в горячей воде. В наше время около половины запасов соли Земли находится либо в соляных пластах, либо в иных соляных месторождениях на суше, представляя собой остатки испарившейся соленой воды. Большая часть этих соляных месторождений залегает глубоко под землей, но в первые полмиллиарда лет на Земле не было суши, в которой могли бы отложиться запасы соли. Следовательно, уровень солености Мирового океана в те времена по меньшей мере вдвое превышал современный. Более того, в той теплой воде в более высокой концентрации растворялись и другие элементы: железо, магний и кальций – составные части базальта.