Науки о Земле

Докембрий внутри кристалла

Отрывок из книги «Осознание времени: Прошлое и будущее Земли глазами геолога»

Альпина нон-фикшн/NASA/Ancient Earth Globe/Indicator.Ru

Как несколько кристаллов размером меньше блохи могут рассказать о «юности» Земли, чем цирконы похожи на деревья и почему они лучше алмазов, расскажет отрывок из книги «Осознание времени: Прошлое и будущее Земли глазами геолога», которая выйдет в издательстве «Альпина нон-фикшн» в декабре этого года.

В истории Земли динозавры, как звезды шоу-бизнеса, получают львиную долю внимания и затмевают собой множество других, не менее значимых персонажей и событий. Впрочем, следует признать, что при всем уважительном отношении ко всем горным породам и мне свойственна некоторая предвзятость. Выросшая на краю Канадского щита — древнего ядра Cеверо-Американского континента, я питаю глубокое пристрастие к породам старше миллиарда лет. Подобно вину и сыру, с годами горные породы становятся все интереснее, приобретая своеобразие и особую красоту. Большинство докембрийских пород за свое долгое существование пережили часто неоднократное тектоническое перемещение и последующее глубокое погружение уже далеко от места своего рождения, а затем каким-то чудом оказались поднятыми обратно на поверхность. Молодые породы общаются с нами на простом и понятном языке, но обычно могут рассказать геологам лишь достаточно обычные вещи. Древнейшие породы говорят загадками, намеками и метаморфическими метафорами. Однако терпеливому и целеустремленному геологу они могут поведать правдивые истории о суровых испытаниях, которые им пришлось пережить.

Еще до того, как Клэр Паттерсон вычислил возраст Земли, изотопные датировки докембрийских пород показывали, как сильно геохронологическая шкала, составленная геологами Викторианской эпохи на основе окаменелостей, искажает восприятие геологического времени. Было установлено, что возраст нижних слоев кембрия составляет около 550 млн лет, однако возраст пород Канадского щита превышает 2 млрд лет. А с определением возраста Земли, равного 4,5 млрд лет, стало окончательно очевидно, что почти мистический докембрий, некогда считавшийся непродолжительным младенчеством Земли, недоступным для человеческого познания, на самом деле включает ее детство, юность, а также бóльшую часть взрослой жизни, т. е. целых восемь девятых времени существования планеты. Тем не менее давняя привычка уделять чрезмерное внимание фанерозою — эону «явной жизни», длящемуся с кембрия по наши дни, сохраняется и сегодня. Авторы большинства учебников по исторической геологии по-прежнему отводят докембрию одну-две формально написанные главы, спеша перейти к «более интересным» периодам. Понемногу, благодаря развитию высокоточных методов геохронологических исследований, в частности нового поколения методов уран-свинцового датирования, геологи исправляют эту устойчивую временну́ю тенденциозность.

Подобно тому как люди не помнят своего рождения и первых лет жизни, Земля не сохранила прямых свидетельств своего возникновения и ранних дней существования. Летопись Земли начинается с едва заметных записей возрастом от 4,4 до 4,2 млрд лет, скрытых в небольшом количестве крошечных и удивительно долговечных кристаллов циркона, которые сохранились в зернах древнего песчаника в хребте Джек-Хиллс в далекой Западной Австралии. Эти самые древние объекты на планете вызывают жаркие споры с момента объявления об их открытии в знаменитой статье, опубликованной в журнале Nature в 2001 году.

Циркон — мечта геохронолога (недаром Холмс использовал именно этот минерал для получения первых абсолютных датировок). Его кристаллическая структура такова, что при кристаллизации в нее могут встраиваться только атомы урана, но не свинца. А поскольку уран имеет два радиоактивных материнских изотопа, которые распадаются на разные дочерние изотопы свинца, сама природа встроила в циркон возможность перекрестной проверки на предмет потери дочерних изотопов: если значения возраста, полученные по соотношениям 206Pb / 238U и 207Pb / 235U, совпадают, т. е. являются конкордантными, или согласными, значит, потери свинца не было. Точность конкордантных уран-свинцовых датировок циркона поразительна: возраст самого старого циркона из Джек-Хиллс был определен в 4404 ± 8 млн лет, т. е. с погрешностью всего в 0,1%, что значительно точнее соответствующих датировок на основе углерода-14. Не все потеряно даже в том случае, если происходила потеря свинца: статистический анализ дискордантных цирконов из образца породы позволяет определить не только их возраст кристаллизации, но зачастую и возраст метаморфического события, приведшего к потере свинца.

Кроме того, циркон — очень прочный минерал, способный выдерживать абразию и коррозию, которая разрушает другие минералы, и имеющий очень высокую температуру плавления, благодаря чему он может переживать метаморфические события, не теряя «памяти» о своем прошлом. Как любят говорить геохронологи, «цирконы вечны» (в отличие от алмазов — минералов, образованных в мантии при высоком давлении, которые на поверхности Земли медленно, но неумолимо превращаются в графит). Старые кристаллы циркона обычно имеют концентрические зоны роста, почти как годовые кольца у деревьев: сердцевина кристалла хранит историю своей первоначальной кристаллизации из магмы, а последовательные полосы отражают рост в ходе более поздних метаморфических событий. Новейшее поколение масс-спектрометров SHRIMP (Super High Resolution Ion Micoprobe) — чувствительных ионных микрозондов с высокой разрешающей способностью — позволяет определять изотопные соотношения для отдельных «колец роста» циркона толщиной всего 10 микрон, что в несколько раз тоньше волоса. Самые старые датировки цирконов из Джек-Хиллс получены для внутренних частей кристаллов, обросших многослойными оболочками. Подобно тому как годовые кольца одного старого дерева могут хранить в себе климатическую летопись целого региона, один древний зональный кристалл циркона может содержать тектоническую хронику всего континента.

Кристаллы циркона с полосами роста

Princeton University Press

Древний возраст зерен циркона из Джек-Хиллс еще более удивителен в свете того факта, что циркон образуется почти исключительно при кристаллизации гранитов и других магматических пород, которые слагают основание континентов. Граниты представляют собой магматическую породу, образовавшуюся из «эволюционировавшей» магмы. Это означает, что они не могут образоваться за одну стадию плавления мантии (которая является источником всех пород в планетарной коре). Сегодня основным источником гранитных пород считаются очаги вулканов в зонах субдукции , таких как гора Рейнир (высочайшая точка Каскадных гор), где эти породы образуются в результате частичного плавления более старой коры, обычно в присутствии воды []. Если самые старые цирконы из Джек-Хиллс были образованы таким же образом, то возможно, что их кристаллизации предшествовало существование еще более ранней коры, которая образовалась, застыла, а затем переплавлялась в течение первых 150 млн лет с момента рождения планеты. Не менее удивительно и то, что соотношение различных изотопов кислорода в древних цирконах предполагает, что магма, из которой они кристаллизовались, взаимодействовала с относительно холодной поверхностной водой. Отбросив традиционно присущую ученым сдержанность в выведении заключений, авторы упомянутой эпохальной статьи в журнале Nature выдвигают смелое предположение — на основе изучения нескольких кристаллов размером меньше блохи, — что 4,4 млрд лет назад на Земле существовали не только континенты и океаны, но и, исходя из присутствия поверхностных вод, возможно, даже жизнь.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.