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

Ядро каждого кратона составляют древнейшие породы, старше 3 млрд лет. Эти фрагментарные свидетельства древнейшей земной коры в целом составляют скромную долю в общей материковой массе. Они непрестанно подвергаются воздействию тепловой энергии и давления, меняют свой состав, растворяясь в приповерхностных водах, и деформируются при напряжении земной коры. Даже при таких условиях природу первоначальных пород, будь то гранитные вкрапления или осадочные слои, чаще всего можно определить. Более того, нам помогает даже то, что кратоны не остаются в покое. Вся история их существования отмечена пульсацией магмы, когда ее новые всплески расплавляют старые структуры, формируя жилы и гнезда вулканических пород. Новые осадочные месторождения возникают как внутри материка, в реках и озерах, так и вдоль мелководья на песчаных морских побережьях. Отличительные типы и структуры горных пород формируются и во время столкновения или раскола кратонов – событий, для которых характерно движение крупных массивов суши. Тщательное исследование этих более молодых формаций позволяет выделить последовательность формирования горных пород в истории существования кратона. Здесь-то и начинается самое интересное.

Более молодые породы дают подсказку для определения хронологии перемещений кратона. Вулканические породы содержат мелкие кристаллы магнетиков, которые в процессе отвердевания ориентируются по магнитному полю Земли. Тщательные палеомагнитные исследования помогают определить не только направление предшествующих магнитных полюсов севера и юга, но и примерную широту, на которой произошло остывание пород. Эти данные, конечно, не сравнить с координатами GPS, но они позволяют относительно точно фиксировать положение кратонов на временной оси. Исследование осадочных пород позволяет узнать многое о климате и экологии. Осадочные отложения, возникшие в условиях тропиков, значительно отличаются от пород, сформировавшихся в умеренных или ледниковых зонах более высоких широт. Некоторые осадочные породы также включают кристаллы магнетиков, по которым можно определить расположение полюсов.

Чтобы сформировалось даже самое приблизительное представление о меняющемся облике Земли, целые армии геологов тщательно обследуют каждый из трех дюжин кратонов. На это уходят десятилетия трудоемких полевых экспедиций и лабораторных исследований. Данные, собранные по всей планете, сводятся вместе. Затем все кратоны составляются, и получается воображаемый фильм об их странствиях, начиная с географии современного мира и постепенно уходя вглубь прошлого. Чем глубже мы погружаемся в прошлое, тем общая картина неминуемо становится все более расплывчатой и умозрительной. Тем не менее даже то, что удается восстановить, поражает воображение. Согласно современным представлениям, за три последних миллиарда лет Земля претерпела цикл по меньшей мере пяти слияний и расколов суперконтинентов.

Наши познания об истории древнейшей земной суши пока не очень глубоки, и существующие подходы к этому предмету сопровождаются многочисленными разногласиями. Никто не рискует, по крайней мере пока, предложить даже приблизительный набросок карты земной поверхности 3 млрд лет назад, но в одной достаточно обоснованной модели предполагается, что первый в истории Земли континент, называемый Уром, сформировался около 3,1 млрд лет назад из ранее рассеянных частей, сейчас известных как Южная Африка, Австралия, Индия и Мадагаскар. Существует предположение, что еще до того, примерно 3,3 млрд лет назад, существовал суперконтинент Ваальбара, но достаточных доказательств этому нет. Согласно сравнительным палеомагнитным данным, полученным из всех регионов, предположительно составлявших древний Ур, современные отдельные кратоны большую часть древней истории Земли были единой сушей – их перемещения по планете выглядят практически параллельными, а потому, возможно, связанными. Магнитные данные позволяют считать, что суперконтинент Ур оставался целым почти 3 млрд лет и начал разделяться только около 200 млн лет назад.

Древнейший гипотетический суперконтинет Кенорленд, или Сьюпириор (по названию горных местностей в Северной Америке), как полагают, сформировался около 2,7 млрд лет назад из Ура и соединившихся с ним множества мелких разрозненных кратонов. Столкновение одного кратона с другим всегда сопровождается образованием шва, соединительной линии, где под воздействием гигантских сил сжатия образуется новый горный хребет. Множество признаков этого можно обнаружить в породах возрастом от 2,7 до 2,5 млрд лет, что подтверждает последовательный рост суперконтинента. Палеомагнитные данные показывают, что Кенорленд большую часть своего сравнительно недолгого существования располагался в низких широтах, возможно, пересекая экватор.

Параллельно с этими ранними перемещениями материков появились первые крупномасштабные выветривания и массированные осадочные отложения по океанскому мелководью вдоль береговых линий. Согласно большинству моделей ранней истории Земли, древняя атмосфера существенно отличалась от современной. В ней практически отсутствовал кислород, зато содержание углекислого газа в сотни, если не в тысячи, раз превышало нынешние пропорции. Шли углекислые дожди, вызывая эрозию почвы и превращая твердые камни в глину. Реки несли свои мутные потоки в прибрежные мелкие воды океана, и там формировались вязкие, дельтаобразные клинья рыхлых отложений.

Около 2,4 млрд лет назад, почти одновременно с началом накапливания в атмосфере кислорода, Кенорленд пережил оборотную сторону процесса формирования суперконтинента. Геомагнитные данные показывают, что Ур распадался на разные кратоны как раз тогда, когда Кенорленд начал длительный процесс раздробления. Эти фрагменты кратоновой головоломки сдвинулись от экватора к полюсам. Между расходящимися кусками материка образовывались мелкие моря, где формировались мощные осадочные месторождения. Так начался многосерийный суперконтинентальный цикл.

Салют Колумбии

Включение суперконтинентального цикла в геологические анналы делает скучный миллиард гораздо менее скучным. Следующая суперконтинентальная серия, гораздо более внятная, чем Кенорленд, благодаря более молодым и лучше сохранившимся сериям горных пород, началась около 2 млрд лет назад, когда на Земле существовало как минимум пять самостоятельных континентов. Крупнейшим из них был суперкратон Лаврентия, скопление около полудюжины кратонов в несколько тысяч километров в поперечнике, что значительно превышает нынешнюю центральную и восточную части Северной Америки. (Специалисты по древним материкам иногда называют это скопление кратонов Соединенными Плитами Америки.) Первый континент Ур твердо держал второе место по размерам, будучи отделен от Лаврентии обширным океаном.

Им значительно уступали Балтийский и Украинский кратоны, сформировавшие ядро нынешней Восточной Европы, а также кратоны, составлявшие части современной Южной Америки, Китая и Африки и бывшие фактически большими островами, близкими по размерам континенту. Ко времени, когда Земле исполнилось 1,9 млрд лет, эти участки суши соединились по границам континентальных плит, воздвигнув новые горные хребты и сформировав суперконтинент, известный под разными именами: Колумбия, Нена, Нуна или Хадсонленд. (Название Колумбия основано на убедительных геологических доказательствах, полученных в окрестностях реки Колумбия вдоль границы между штатами Вашингтон и Орегон, и употребляется чаще всего.) Эта обширная бесплодная земля, протяженностью примерно 13 000 км с севера на юг и 5000 км с запада на восток, объединила почти всю континентальную кору планеты.

Сложность объединения более тридцати кратонных блоков в единый суперконтинент озадачивает. Неудивительно, что этот процесс описывают несколько моделей. Две сравнительно разные гипотезы появились практически одновременно в 2002 г. Геохимик Джон Роджерс (Университет Северной Каролины) и его коллега, индийский геолог Сантош Мадхава (Университет Коти, Япония), предположили, что Лаврентия, которая, по существу, равна всей Северной Америке, составила ядро суперконтинента Колумбия. Согласно модели Роджерса – Сантоша, континент Ур присоединился к западному побережью Лаврентии; части Сибири, Гренландии и Балтики располагались севернее; фрагменты того, что сейчас является Бразилией и Западной Африкой, размещались к юго-востоку. В том же году Гохун Чжао с коллегами (Университет Гонконга) выдвинул несколько иную модель, по которой Балтика присоединилась к восточному побережью Лаврентии, а восточная часть Антарктиды и Китай – к западному. Если учесть древний возраст Колумбии и предположительную природу таких реконструкций, обе гипотезы неплохо дополняют друг друга. Тем не менее ясно, что перемещения и превращения указанных кратонов останутся предметом научных дискуссий на ближайшие десятилетия.