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

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.

Происхождение гранита является первым свидетельством отличия эволюции минералов Земли от эволюции минералов на соседних планетах. Образование гранита требует огромного количества базальта, располагающегося близко к поверхности планеты, а также интенсивного источника внутреннего тепла, способного его расплавить. Планеты меньшего размера, Марс и Меркурий, а также спутник Земли Луна тоже покрыты базальтовой корой, но они слишком малы, чтобы образовать большое количество гранита. Им недостает внутреннего источника тепловой энергии. Несомненно, и на этих планетах образовалось какое-то количество гранита, но оно не идет ни в какое сравнение с глубоко укорененными гранитными континентами Земли.

Плавучесть

Зачаточная земная кора из черного базальта, размягчаемая теплом, идущим из недр планеты, плотность которой была раза в три больше воды, не могла обеспечить устойчивый рельеф. Вулканические извержения километр-два высотой могли образовать разбросанные на значительном расстоянии черные острова, но до образования континентов на Земле не существовало ни крупных горных массивов, ни глубоких океанских впадин. Гранит со своей сравнительно низкой средней плотностью (в 2,7 раза плотнее воды) сыграл решающую роль. Гранит неизменно всплывает поверх базальта и перидотита; он образует крупные нагромождения, вздымаясь на несколько километров над поверхностью, подобно айсбергу. Лед, будучи на 10 % легче воды, может служить аналогом. Из-за этой разницы не более 10 % объема айсберга возвышается над водой. Зазубренный айсберг высотой метров 60 может подниматься над водой всего на 10 м – в результате мы можем наблюдать так называемую «верхушку айсберга». По той же причине гранит, плотность которого на 10 % меньше, чем у базальта, всплывает над его поверхностью в аналогичной пропорции.

Итак, базальтовая кора Земли плавилась, образуя гранитные слои один над другим, начали формироваться похожие на верхушки айсбергов выступы над поверхностью. Гранитный слой толщиной 1,5 км мог возвышаться над уровнем базальтовой коры почти на 300 м. Однако со временем масса гранита увеличилась, и ее толщина достигла многих километров; соответственно континентальные массивы все выше поднимались над океаном, а некоторые горные гряды вздымались над поверхностью воды на тысячи метров. Ныне цепь Скалистых гор на западе Америки, гранитные корни которых уходят в глубину более чем на 60 км, включает отдельные пики до 4 км высотой. Этот становой хребет Американского континента возвышается как свидетельство плавучести гранита.

В 1970 г., когда я учился на геологическом факультете MIT, выталкивающая сила как основа геологических изменений была незыблемым правилом во всех учебниках. (Мы пользовались 2-м изданием книги британского геолога Артура Холмса «Основы физической геологии»[9], выпущенной в 1965 г. и прекрасно иллюстрированной.) Это явление называлось «изостазия». Ведущая сила «вертикальной тектоники» называлась «изостатическим равновесием». Замечательная гравюра, почти без изменений перешедшая из учебников геологии XIX в., изображала ряд прямоугольных деревянных блоков, плавающих в воде. Более объемные блоки больше возвышались над водой, подобно горам. Мы узнавали, как океанические бассейны заполнялись толстыми слоями отложений, а эти отложения плавились, образуя гранитные массивы. Мы изучали, как на основе этих плавучих гранитных основ постепенно вырастали горы. В то время это звучало вполне убедительно, и до сих пор эта гипотеза преобладает в представлении о том, как более 4 млрд лет назад сформировалась земная кора.

На ранних этапах истории Земли, возможно, в первые две сотни миллионов лет, над огненной поверхностью начали формироваться небольшие плавучие серые гранитные массивы, а в глубине под ними частично плавился базальт. В те времена вертикальная тектоника и изостазия преобладали, как и утверждал Артур Холмс. Эти первые континентальные голые островки гранита омывались всеми волнами и овевались всеми ветрами. Выветривание кристаллов кварца медленно формировало узкие полоски песчаных берегов, а отложения полевого шпата превращались в скудную глинистую почву. Первые разрозненные гранитные острова отличались малыми размерами, поднимались невысоко над поверхностью океана – и ничто не предвещало, что они превратятся в будущие континенты.

Повторный удар?

И все-таки как же испещренная вулканами, базальтовая Земля превратилась в планету с обширными гранитными континентами? Как несколько первых одиноких гранитных островков разрослись в громадные массивы суши, заполнившие оба полушария? Ученые выдвигали самые невероятные гипотезы. Одна из распространенных идей не отличалась оригинальностью: формирование континентов обусловлено случайностью – ударом астероида.

Действительно, в течение миллиарда лет после уничтожения Тейи и образования Луны время от времени Землю атаковали астероиды. Это неопровержимый факт. По оценкам экспертов, десятки крупных астероидов более сотни километров в диаметре, блуждающие остатки какой-нибудь планеты раннего периода, сталкивались с Землей в эпоху ее формирования. Представим себе, как 4 млрд лет назад потоки расплавленного камня поднимаются сквозь тонкую поверхность первичного океана. Десятки, если не сотни, таких огненных гейзеров вздымались из недр Земли, создавая конвекционный оборот тепловой энергии. Гигантские вулканы изрыгали базальтовую лаву, а расплавленная базальтовая кора тем временем порождала граниты, утолщая земную твердь.

И вдруг происходит катастрофа: 50-километровый астероид обрушивается на вулканический остров, уничтожая всякую твердую почву на сотни километров вокруг. Этот удар порождает гигантское озеро магмы, одновременно заваливая прилегающую к озеру поверхность сгустками расплавленной лавы и осколками камней. Космический пришелец блокирует поток магмы, которому теперь приходится искать другой выход на поверхность.

Согласно этому хитроумному сценарию, магматический поток после такой атаки меняет путь, выталкивая снизу некий микроконтинент, имеющий базальтовую основу и тонкую гранитную поверхность. Располагаясь под такой плотной, не пропускающей тепло базальтовой заслонкой, внутренний источник тепловой энергии способствует ускоренному образованию гранита и наращиванию таким образом слоя твердой гранитной корки. Эта фантастическая картина, возможно, являлась частью процесса формирования континентов на планете. За миллиард лет вертикальной тектоники, ускоренной падениями крупных астероидов, в океане возник бесконечный ряд вулканических островов смешанного базальто-гранитного состава. Так постепенно из моря поднималась суша. Четыре миллиарда лет назад громадные острова, хаотично разбросанные по всей планете, по-видимому, составляли весьма скромную часть ее поверхности.

Но вот появилась тектоника плит – и формирование земной коры вступило в ускоренную фазу.

Дрейфующие континенты

Открытие такого важного геологического механизма, как тектоника плит, оказало влияние на всю современную науку. Этой теории предшествовали по меньшей мере четыре века исследований, но довольно долгое время сама мысль о том, что целые континенты могут каким-то образом перемещаться по земной поверхности, была смутной и казалась ересью, а распространение и широкое признание получила лишь в результате интенсивной международной научной деятельности, приведшей к открытиям 60-х годов прошлого века. Но как только накопилось достаточно данных, естественные науки пережили один из самых революционных сдвигов в своей истории. На самом деле в течение пяти лет моего обучения в MIT, т. е. к середине 1970-х гг., все учебники по геологии пришлось полностью переписывать, поскольку незыблемый принцип вертикальной тектоники был полностью опровергнут.