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

Исследователи также предполагают, что гадейский океан мог быть по преимуществу кислотным или щелочным. Решающим фактором в этом вопросе, определяющим уровень pH и солености, является атмосферный углекислый газ. По всем данным, содержание углекислого газа в первоначальной атмосфере Земли в тысячи раз превышало сегодняшний показатель, который составляет около 0,04 % (хотя с каждым годом этот показатель увеличивается). Высокая концентрация CO2 в гадейской атмосфере означала и гораздо большее его содержание в воде, что должно было сказаться на уровне pH и солености. Углекислый газ, соединяясь с дождевой водой, образует углекислоту H2CO3. В океане карбонатный осадок частично распадается на ионы водорода, которые образуют гидронии и бикарбонат (HCO3). Этот прирост положительных ионов водорода придает океану кислотность, возможно не ниже pH = 5,5. Такой уровень кислотности, в свою очередь, ускорял выветривание базальта и других пород, насыщая и без того соленый океан.

Парадокс тусклого Солнца

Мало нам проблем с противоречивыми выводами о первоначальном океане, а тут еще одна загадка: согласно современным астрономическим наблюдениям и все более точным астрофизическим расчетам, звезды, подобные нашему Солнцу, на протяжении своего существования медленно, но неуклонно становятся все более яркими. По таким расчетам, молодое Солнце 4,4 млрд лет назад было на 25–30 % менее ярким, чем сегодня. Более того, всего около 1,5 млрд лет назад свет нашего светила оставался недостаточно комфортным. Если сегодня Солнце внезапно потускнеет до такого состояния, Земля стремительно превратится в пустынный ледник: океаны покроются льдом от полюсов до экватора и все живое на Земле погибнет. При таком катастрофическом изменении климата выживут только самые выносливые организмы, подземные микроорганизмы и животные, обитающие в защищенных гидротермальных зонах поблизости от вулканов.

С учетом нежаркого раннего Солнца Земля должна была бы быстро обледенеть. И все же геологические данные недвусмысленно свидетельствуют об изобилии жидкой воды на ее поверхности по крайней мере 4 млрд лет назад. Часто встречаются осадки, отложенные как в мелких, так и в глубоких водоемах. Именно в этот период на Земле зародилась и окрепла жизнь. Как же могло получиться, что первоначальный океан оставался жидким?

Конечно, часть теплового дефицита при нежарком Солнце компенсировалась раскаленным состоянием самой Земли. Хотя образование поверхностной коры над магматическим океаном уже состоялось, обилие расплавленных горных пород и вулканическая активность в достаточной мере согревали поверхность Земли. Поверхностный океан на согретой изнутри планете продолжал оставаться теплым даже в процессе остывания и утолщения земной коры.

Популярная гипотеза, объясняя парадокс прохладного Солнца, указывает на мощный парниковый эффект, возникший под воздействием концентрации углекислого газа в атмосфере, возможно, раз в десять более плотной, чем в наше время (именно высокая концентрация CO2 могла вызвать окисление океана и повысить его соленость).

Другой научный сценарий исходит из того, что Земля, сначала в черной фазе, затем в голубой, поглощала гораздо больше солнечной энергии, чем сегодня. В наше время океан поглощает больше света, чем суша, – возможно, вода первоначальных океанов отличалась более высоким содержанием железа. Это усиленное поглощение солнечной энергии сочеталось с недостаточной облачностью, которая способствует рассеянию света; в наши дни растения и химические элементы играют важную роль в образовании облаков, но миллиарды лет назад никаких растений, способных усилить процесс сгущения облачности, на Земле не было.

Существует и другая гипотеза, согласно которой важная роль отводится высокому содержанию парникового газа метана в атмосфере. Любопытным следствием концентрации метана в атмосфере могли стать химические реакции в верхних слоях атмосферы, в результате которых ультрафиолетовое излучение запустило синтез разнообразных органических молекул, включая составные элементы элементарных живых форм. Скопление таких органических молекул могло способствовать образованию толстого слоя тумана, превратившего голубую Землю в оранжевую планету, чем-то похожую на крупный спутник Сатурна – Титан.

Таким образом, не располагая точными данными о положении дел в те времена, мы имеем несколько возможных объяснений того, почему Земля не превратилась в обледеневший шар. Об одном можно утверждать с уверенностью: однажды возникший, Мировой океан сыграл важную роль в формировании структуры земной поверхности – в формировании рельефа, в эволюции минеральных веществ и в происхождении биосферы. Вода продолжает воздействовать на все стороны жизни как концентратор минеральных ресурсов, как главный фактор эволюции земной коры и как среда для всех видов жизни.

Глава 5

Серая Земля

Первичная гранитная кора

Возраст Земли: от 200 до 500 млн лет

Сегодняшняя Земля – это планета контрастов: одну ее треть занимает суша, две трети – вода; из космоса планета смотрится как смесь голубого, коричневого и зеленого цветов с завихрениями белого. Не так все выглядело 4,4 млрд лет назад, когда разбросанные повсюду симметричные конусы вулканов из черного базальта были единственными скудными островками суши, разнообразившими монотонную голубизну неглубоких морей. Картина изменилась с появлением гранита – грубой, шероховатой прочной основы континентов.

История Земли представляет собой процесс дифференцирования – разделения и концентрации элементов во все новые и новые породы и минералы, в моря и континенты и, наконец, в живые формы. Это повторялось раз за разом. Внутренние плотнотельные планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – формировались в то время, когда интенсивные порывы солнечного ветра отделяли водород и гелий от более тяжелой шестерки элементов, выталкивая легкие газообразные элементы наружу, в область таких гигантов, как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. На Земле тяжелое расплавленное железо устремлялось к центру по мере того, как металлическое ядро отделялось от насыщенной перидотитом мантии. В результате частичного расплавления перидотита образовался базальт – порода, богатая кремнием, кальцием и алюминием, которая, отделившись от перидотита, сформировала первую, тонкую и черную земную кору. В результате извержений базальт выбрасывался на поверхность, а вода и другие летучие вещества отделялись от базальтовой магмы, создавая океан и атмосферу. Каждое извержение разделяло и вновь соединяло элементы, всякий раз ускоряя расслоение и увеличивая разнообразие веществ на планете.

Возникновение континентов стало следующим важным этапом эволюции Земли. По мере того как остывали внешние слои базальтовой коры, формировалась своего рода крышка, заслонка для все еще расплавленной магмы в нижних слоях. Базальт, нагреваемый снизу, снова начинал плавиться при сравнительно низких температурах, чему способствовало наличие воды, – примерно при 700 °С. Повышение температуры увеличивало объем расплавленного базальта: вначале расплавилось 5 %, потом 10 %, затем 25 %. Одновременно плавился периодит, и в результате получилась магма, состав которой существенно отличался от начальной базальтовой породы. В новом сплаве заметно увеличивалось присутствие кремния, а также натрия и калия. В этой расплавленной жидкости также концентрировалась вода и такие редкие элементы, как бериллий, литий, уран, цирконий, тантал и многие другие. Вновь образованная кремнистая магма отличалась гораздо меньшей плотностью, чем базальт, а потому неминуемо пробивалась к поверхности, формируя первый гранит.

Большинство гранитов имеет простой минеральный состав – они состоят всего из четырех минералов. Прозрачные бесцветные кристаллы кварца – чистого оксида кремния – изобилуют в граните. Их жесткие зерна, выветриваясь, создали первые на Земле белые песчаные пляжи. Две разновидности полевого шпата, в составе которых преобладает либо калий, либо натрий, придавали первым земным гранитам однообразный серовато-белый оттенок. Кроме того, в каждом виде гранита присутствовали доли четвертого, темного железистого минерала – либо пироксена, либо слюды, а иногда удлиненные кристаллы амфибола. Приглядитесь к полированному граниту столешницы или облицовки зданий – и вы увидите там все четыре компонента.

Наличие более редких элементов может проявиться в крохотных зернах дополнительных минералов, например циркона, в котором сконцентрирован цирконий. В предыдущей главе уже упоминалось о мелких красных кристаллах циркона, извлеченных из осадочных пород в горах Джек-Хиллс в Австралии, указывающих на существование первоначального океана 4,4 млрд лет назад. Те же самые кристаллы, образованные в более прохладной, влажной среде, могут указывать на ранние сроки формирования гранита. Цирконы из Джек-Хиллс не только содержат тяжелые изотопы кислорода, подтверждающие наличие воды и относительно прохладных температурных условий их формирования, но и включают отдельные вкрапления кварца (в основном, кристаллы возрастом 4 млрд лет) – минерала, чрезвычайно редко встречаемого до образования гранитов. По мнению некоторых специалистов, эти древние, охлажденные кристаллы циркона, содержащие кварц, являются последними сохранившимися остатками древнейшей гранитной коры.