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

Я тоже когда-то твердо придерживался двухвековой традиции. Первые двадцать лет своей научной деятельности я выделял идеальные миниатюрные кристаллы обычных породообразующих минералов, подвергал их невообразимому давлению между двумя алмазными наковальнями, обрабатывал сплющенные образцы рентгеновскими лучами, а потом измерял мельчайшие изменения в их атомной структуре. Мы с коллегами игнорировали геологическое время и географическое место, поскольку не интересовались ни возрастом, ни происхождением наших микроскопических образцов. Мы называли себя минералогами-физиками и держались в компании таких внеисторических наук, как химия и физика. Не от них ли мы восприняли предвзятые мнения о геологических «сказках»?

Такой образ мыслей в минералогии коренится в ее происхождении от горного дела и химии, слегка приправленных подсознательным убеждением в том, что физика и химия являются более строгими и точными науками, чем творческие, направленные на качественные характеристики «байки» геологов. (Исследователи истории Земли часто задумываются, не это ли предубеждение лежит в основе того, что среди лауреатов Нобелевской премии много физиков и химиков, но ни одного геолога.) Поэтому мало кто из минералогов интересуется удивительными превращениями приповерхностных минералов во времени. Когда в 2008 г. мы с коллегами опубликовали коллективную статью под названием «Минеральная эволюция», наша цель заключалась в том, чтобы оспорить традиционный подход – и преобразовать минералогию в историческую науку. Наша ставка на минералогическое прошлое Земли, а также других планет Солнечной системы и планет за ее пределами основывается на том, что минеральный состав Земли эволюционирует, проходя несколько последовательных ступеней, на каждой из которых наблюдаются разнообразные изменения в составе и распределении минералов. Отсюда и повествовательный уклон этой книги, в которой планеты прогрессируют от минералогической простоты к сложности, от какой-нибудь дюжины минеральных веществ в составе газа и пыли, из которых образовалась Солнечная система, до более сорока пяти сотен разновидностей минералов, существующих на Земле в наше время, две трети из которых не смогли бы появиться в неорганическом мире.

Это была узкопрофильная статья, опубликованная в специализированном журнале American Mineralogist, который читали в основном профессионалы. Но международная пресса быстро подхватила гипотезу о том, что жизнь и минералы развивались взаимосвязанно. Журналы The Economist и Der Spiegel, Science и Nature, а также несколько научно-популярных изданий ухватились за наши научные догадки о происхождении и развитии минералогического многообразия Земли. Журнал The New Scientist даже опубликовал остроумную карикатуру, изображающую четыре стадии минеральной эволюции: от кристалла с плавниками до «развитого» кристалла с тросточкой. Никому из них не пришло в голову, что все наши выкладки носят исключительно теоретический, умозрительный характер. Действительно ли на Марсе существует только 500 разновидностей минералов? Действительно ли неорганический мир неспособен создать более 1500 разновидностей? Действительно ли потребовался живой, насыщенный кислородом мир, чтобы на Земле утроилось количество видов минералов? Мы представили эти тезисы как гипотезы; их еще предстояло доказать.

Кто мог тогда предвидеть, что самым продуктивным источником доказательств окажутся породы «скучного миллиарда»?

Чтобы облечь количественной плотью голый костяк эволюционной гипотезы, надо было исследовать отдельные группы минералов. И вот я связался с Эдом Гру, профессором-исследователем в области наук о Земле из Университета Мэна. Эд, выносливый и упорный исследователь, посвятил свою жизнь тщательному изучению минералов, в состав которых входят бериллий и бор – редкие элементы, которые время от времени концентрируются в крупные, красивые кристаллы. Он знает все 108 официально зарегистрированных минералов, в состав которых входит бериллий, как собственных друзей. У каждого из них свой характер, каждый играет свою геологическую роль. Я попросил его воссоздать их описание во времени. Когда они появились? Какие процессы привели к увеличению их разновидностей? «Вымерли» ли какие-то из минералов с бериллием? Никто до сих пор не пытался ответить на эти вопросы. Трудно даже просто фиксировать в каталоге все возможные минералы с данным элементом, но уточнять, когда какой-либо из образцов появился или исчез, вообще неподъемная задача. Существует множество мест, где встречается самый распространенный из бериллиевых минералов – берилл (особенно ценится его темно-зеленая разновидность – изумруд). Страшно даже попытаться проследить месторождение древнейшего из них.

После целого года тяжелейшего труда Эд Гру построил примерную диаграмму, показывающую совокупное количество всех бериллиевых минералов на временно́й шкале, на основе тысяч известных находок. Как и ожидалось, потребовалось длительное время для появления первого берилла – почти 1,5 млрд лет. В земной коре бериллий присутствует в отношении два на миллион, так что проходит много времени, прежде чем бериллий попадет в обогащенную жидкую среду, где осядут кристаллы берилла. В течение следующего миллиарда лет появилось всего лишь около двадцати разновидностей бериллиевых минералов. Согласно нашей новорожденной теории, всплеск образования новых минералов должен был прийтись на период Великого кислородного события, между 2,4 и 2,0 млрд лет назад, но Эд обнаружил нечто иное. Наивысший прирост минералов случился несколько позднее, когда между 1,8 и 1,7 млрд лет назад количество разновидностей минералов увеличилось больше чем в два раза. Этот промежуток времени, как раз в самом начале «скучного» миллиарда, был периодом сборки суперконтинента Колумбия. Возможно, бериллий накапливался в новых минералах в процессе интенсивного горообразования, вызванного столкновением континентов.

Вслед за бериллием Эд Гру предпринял еще более впечатляющее исследование 263 разновидностей минералов бора. Самая известная красно-зеленая разновидность полудрагоценного турмалина обнаруживается в древнейших на Земле породах, но возраст их не превышает полумиллиарда лет. В образцах давностью 2,5 млрд лет можно встретить едва ли двадцать разновидностей минералов с бором – менее 10 % от современного количества. Как и в случае с бериллием, Эд обнаружил удвоение численности различных бористых минералов в породах времен «скучного» миллиарда, на сей раз в промежутке между 2,1 и 1,7 млрд лет назад, т. е. от начала до конца существования Колумбии. И вновь этот интенсивный прирост разновидностей минералов вызывает множество вопросов – о том, когда именно после Великого кислородного события произошло увеличение разновидностей минералов, когда и как собирались суперконтиненты, почему минералогические новшества пришлись именно на «скучный миллиард».

Следующий набег на истоки минеральной эволюции мы совершили, выбрав 90 известных минералов, содержащих редкий элемент ртуть, – и это исследование еще более осложнило картину. Подобно гораздо более распространенному элементу – железу, ртуть встречается в трех химических состояниях: как богатый электронами металл (знакомая серебристая жидкость в старых термометрах), а также в виде двух окислов. Таким образом, мы ожидали встретить всплеск интенсивного увеличения разновидностей ртутных минералов вслед за Великим кислородным событием, но открылась совершенно иная картина. Как и в истории бериллия и бора, потребовалось более миллиарда лет для появления древнейшего ртутного минерала – самой распространенной ртутной породы, ярко-красной киновари. Остальные разновидности следовали импульсами: примерно дюжина новых ртутных минералов возникла во время сборки Кенорленда; потом были полмиллиарда лет застоя; потом еще полдюжины новообразований появилось в период сборки Колумбии. Очевидно, при столкновении континентов процесс горообразования сопровождается высвобождением потока минерализующих жидкостных сред, где и зарождаются новые минералы. Открытие того, что такая минерализация приходилась строго на промежутки между формированием суперконтинентов, оказалось большим сюрпризом.

Затем последовало еще одно удивительное открытие: в течение длительного времени (от 1,8 млрд до 600 млн лет назад – дольше самого «скучного» миллиарда) не происходило ничего. Даже в период сборки суперконтинента Родиния, миллиард лет назад, не появилось ни единого нового ртутного минерала. Мы заподозрили, что виноват в этом насыщенный серой, промежуточный океан. Киноварь, сульфид ртути, является наименее растворимым из всех пород. Каждый атом ртути, попавший в древние сернистые моря, тут же взаимодействовал с серой, образуя микроскопические частицы киновари, которые медленно оседали на дно, прекращая дальнейшую минерализацию ртути. И только в последние 600 млн лет, когда вода в океанах насытилась кислородом, а на суше укрепилась живая природа, произошла взрывная минерализация ртути.