Дуг Макдугалл

Зачем нужна геология

краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Шейле, как всегда

Предисловие к русскому изданию

Возможно, подзаголовок этой книги «Расшифровка прошлого, предвидение будущего» сейчас даже более уместен, чем при появлении оригинального издания на английском языке. Почему? Потому что работа специалистов, изучающих горные породы, океанические и озерные отложения, керны льда, натёчные образования в пещерах и многое другое ради того, чтобы выяснить, как изменялась среда на поверхности нашей планеты в прошлом, имеет первостепенное значение для понимания самой важной проблемы, с которой человечество сталкивается сегодня: изменение климата. Прошлое не всегда является идеальным аналогом будущего, однако исследования такого рода в сочетании с численным моделированием глобального климата дают нам надежду на прогнозирование потенциальных последствий быстрого роста содержания парниковых газов в атмосфере, который является следствием человеческой деятельности, и на появление способов обратить эту тенденцию вспять.

В этом коротком предисловии я остановлюсь на нескольких недавних достижениях, которые помогли нам узнать больше о прошлом и будущем климата нашей планеты, а также выделю другие успехи, достигнутые науками о Земле за последнее десятилетие. Чтобы в полной мере отдать должное всем новым исследованиям в столь динамично развивающейся области, понадобилась бы целая книга, поэтому мне пришлось проявлять избирательность. По большей части я сосредоточился на исследованиях, тематика которых близка к тому, о чем пойдет речь в основных главах книги.

Начнем с теории тектоники плит, которая с 1960-х годов лежит в основе большей части наших знаний о Земле (см. главу 5). Развитие этой теории привело к осознанию того, что многие явления на поверхности Земли — вулканизм, горообразование, землетрясения и даже состав атмосферы — связаны и между собой, и с процессами, происходящими внутри планеты. В свою очередь, это является основой для понимания Земли как системы, а не как совокупности отдельных, не связанных между собой частей.

Другой вечный вопрос, который кратко рассмотрен в главе 5: когда началась тектоника плит? За последнее десятилетие этой проблеме посвящали множество исследований, и, хотя окончательного ответа по-прежнему нет, диапазон возможных вариантов сузился. Почему так важно знать, когда началась тектоника плит? Потому что понимание этого процесса многое объясняет в том, как Земля функционирует сегодня. Это, в свою очередь, имеет серьезные последствия для понимания того, как наша планета эволюционировала в течение геологического времени. С его помощью мы, вероятно, поймем эволюцию и других планет Солнечной системы. Есть и практические следствия: многие месторождения полезных ископаемых образовались в конкретных тектонических условиях. Знание того, когда начался этот процесс, может помочь нам в их поисках.

Согласно современной теории тектоники плит, несколько относительно жестких участков литосферы планеты (их называют плитами, см. рисунки 11–14) перемещаются относительно друг друга по поверхности планеты. Океанические плиты в геологических масштабах недолговечны: они образуются в результате магматической деятельности, происходящей вдоль океанических хребтов, и возвращаются обратно в мантию в зонах субдукции (рисунки 12 и 13); в то же время более плавучие участки континентальной литосферы остаются на поверхности. Основной движущий фактор перемещения плит — тяжесть холодных океанических плит, которые опускаются в мантию в зонах субдукции. Это означает, что ключевым индикатором древней тектоники плит является наличие в геологической летописи минералов и горных пород, уникальных для этих зон. Однако у этого подхода есть несколько проблем. Прежде всего, многие древние породы исчезли в результате эрозии и действия самих тектонических сил, поэтому существует риск, что свидетельства необратимо утеряны. Чем дальше в прошлое, тем меньше будет примеров. Далее, большая часть древних пород после образования трансформировалась в результате интенсивных метаморфических процессов, и поэтому характеристики зон субдукции теперь определить затруднительно. Кроме того, мы знаем, что когда-то внутренняя часть Земли была намного горячее, чем сейчас, и, поскольку типы горных пород, сформировавшихся в зонах субдукции, зависят от температуры, то характеристики пород и минералов в современных зонах субдукции могут не в полной мере отражать ситуацию в древние времена.

В главе 5 обсуждается, что возраст самых старых горных пород, которые однозначно образовались в зоне субдукции, составляет чуть менее миллиарда лет. За последние десять лет эти данные не пересматривались, однако постоянное накопление высококачественных химических и минералогических данных по древним породам протерозойского и архейского эонов (рисунок 1) и значительно выросшие вычислительные возможности компьютеров, позволившие проводить сложное моделирование термальных, механических и петрологических характеристик древней Земли, дали гораздо более четкую картину того, как, вероятно, развивалась тектоника плит. Как здорово, что у нас есть возможность заглянуть с помощью таких моделей на миллионы лет назад и наглядно представить, как функционировала планета на заре своей истории.

Не вдаваясь в детали, я кратко изложу здесь сложившееся представление. В настоящее время принято считать, что при формировании Земли наружная область нашей планеты — до глубины, возможно, нескольких сотен километров — была расплавлена (так называемый магматический океан). Относительно быстро по геологическим масштабам — от нескольких миллионов до 10–20 миллионов лет — сформировалась твердая кора. Однако на нее часто падали крупные каменные объекты из космоса, а через слабые места в коре из все еще горячих недр изливались потоки лавы. Никаких следов этой ранней коры не сохранилось, но в итоге Земля перешла в состояние, которое специалисты называют периодом «тектоники неподвижной[1] покрышки», когда литосфера и кора во многом походили на современные, но литосфера была теплее, мягче и характеризовалась либо слабыми горизонтальными перемещениями, либо вообще их отсутствием. Она была, как следует из названия, неподвижной.

С момента своего образования Земля постепенно остывает — в основном за счет внутренней конвекции, когда горячая материя мантии двигается к поверхности, а более холодный опускается в глубину. Численные модели показывают, что основное различие между тектоникой неподвижной покрышки и тектоникой «мобильной покрышки» (то есть тектоникой плит) связано с тем, как происходит обмен между горячей внутренностью планеты и более холодной литосферой. При современном режиме тектоники плит горячая вулканическая магма извергается в центральной части океанов и на границах плит, образуя новую кору, в то время как более холодные материалы ныряют обратно в мантию в зонах субдукции. Напротив, при режиме неподвижной покрышки на древней Земле этот обмен имел совершенно другую форму. Ученые назвали это процессом «стекания и подъема»: плотные породы из нижней части литосферы «стекали» в мантию, в то время как расплав (магма) от восходящих потоков в мантии поднимался и формировал новую твердую кору и литосферу посредством проникновения и магматической деятельности.

Сценарий «стекания и подъема», конечно же, никто не наблюдал непосредственно, однако численные модели показывают, что он должен был доминировать на ранних этапах истории планеты. Высокие температуры мантии тех времен означали, что субдукция — в том виде, как мы ее сейчас знаем — происходить не могла; литосфера, более горячая и менее жесткая по сравнению с современным состоянием, не была достаточно прочной, чтобы погружаться в мантию в неповрежденном виде. Если бы литосферная плита начала погружаться внутрь Земли, она бы просто разрушилась. Только после того, как Земля потеряла тепло, а мантия остыла, стал возможен переход от тектоники неподвижных покрышек к тектонике плит. Этот переход шел постепенно и длился, возможно, сотни миллионов лет; вполне вероятно, что на краях первых сформировавшихся континентов происходила какая-то локальная мелкомасштабная субдукция — еще до возникновения современной глобальной системы тектоники плит.

Более подробную информацию об этих исследованиях можно найти в двух недавних обзорных статьях Палина и др., Брауна, Джонсона и Гардинера (см. библиографию в конце книги).

Вторая область, где за последнее десятилетие достигнут существенный прогресс, касается влияния на нашу планету внеземных объектов. Этой теме посвящена Глава 3, в которой рассказывается о некоторых хорошо известных столкновениях, зафиксированных в геологической летописи, а также об усилиях по обнаружению околоземных объектов, которые потенциально в будущем могут столкнуться с Землей.

Ударное кратерообразование — основной процесс, формирующий ландшафт наших твердых соседей по Солнечной системе — Луны, Меркурия, Венеры и Марса. Космические тела барабанили и по Земле, однако на нашей динамичной планете эрозия, накопление осадков и тектоническая деятельность стерли или скрыли многие кратеры, появлявшиеся в течение миллионов и миллиардов лет. Однако 15 февраля 2013 года мы получили недвусмысленное напоминание о том, какой вред могут нанести планете космические гости: в атмосферу недалеко от Челябинска (Россия) влетел относительно небольшой астероид (примерно 20 метров в диаметре). Он разрушился на высоте примерно 30 километров: ударная волна разбила окна, слегка повредила сооружения и сбила находившихся на улице с ног. Кратковременная, но яркая вспышка оставила легкие «солнечные ожоги» на лицах некоторых очевидцев. Неудивительно, что в последние годы люди стали активнее искать околоземные объекты, которые представляют потенциальную опасность для нашей планеты, а также разрабатывать методы предотвращения таких столкновений.

Одним из наиболее впечатляющих достижений в сфере исследований ударного кратерообразования стал совместный проект Международной программы по исследованию океанов и Международной программы континентального научного бурения: в апреле и мае 2016 года ученые провели бурение в ударном кратере Чикшулуб в Мексике. Как рассказывается в Главе 3, этот кратер диаметром в двести километров образовался примерно 66 миллионов лет назад, и эту катастрофу связывают с массовым вымиранием[2], знаменующим границу между меловым и палеогеновым периодами на геологической шкале (одновременно это граница между мезозойской и кайнозойской эрами; рисунок 1). Хотя в то время вымерли многие виды, больше всего известно исчезновение с лица Земли динозавров.

По кернам, извлеченным во время бурения, ученые смогли с потрясающей детализацией реконструировать события первых минут и часов после удара. Одна из статей, описывающих эти наблюдения, называется «Первый день кайнозойской эры» (см. библиографию в конце книги).

Уникальная характеристика кратера Чикшулуб — находящееся внутри него приподнятое кольцо из каменистого материала, которое расположено концентрично с краем кратера. Такой объект называют «пиковым кольцом», и Чикшулуб — единственное место на Земле, где обнаружено подобное кольцо — хотя такие формации нередко встречаются внутри крупных кратеров на Луне, Марсе, Венере и Меркурии. Ученые пробурили пиковое кольцо непосредственно, и взятые образцы позволили выяснить, как оно образовалось. Во время удара уровень океана был намного выше современного, и место столкновения с астероидом полностью находилось под водой[3]. Врезавшееся тело мгновенно испарило морскую воду; оно также испарило, расплавило и выбросило вверх нижележащие слои осадочных горных пород, а с ними и подстилающие породы фундамента (в основном гранит). В результате образовался кратер. В течение нескольких секунд и минут после удара огромный объем встряхнутых и сильно раздробленных подстилающих пород образовал центральное поднятие (точно такое же поднятие в центре вы могли видеть при покадровой съемке падения капли дождя на поверхность воды), а затем эта масса рухнула обратно в кратер и образовала пиковое кольцо вокруг центра. Почти одновременно с этим в течение следующих минут толстым слоем по дну кратера стали разливаться расплавленные ударом породы. Образцы кернов показывают, что и пиковое кольцо они накрыли слоем примерно 25-метровой толщины. Над этими расплавленными породами находится еще более толстый слой из беспорядочных обломков и частиц расплавленной и нерасплавленной породы, которая называется суевит; некоторые из этих фрагментов оказались здесь в течение первых хаотических десятков минут после удара, а остальные — в те часы, когда море снова хлынуло в кратер, неся обломки с собой. Мощные волны цунами, порожденные ударом, отразились от близлежащих массивов суши и вернулись к кратеру, принеся еще больше обломков, часть которых были захвачены на этих массивах. В тот первый день кайнозойской эры образовался слой суевита толщиной более ста метров. В его верхней части обнаруживаются куски угля и органические соединения, порожденные сгоревшими наземными растениями: это прямое доказательство того, что удар астероида привел к лесным пожарам. Эти и другие данные, полученные при изучении взятых в Чикшулубе кернов, подтверждают и даже обнаруживают еще более кошмарные последствия столкновений по сравнению с известными из более ранних исследований. Они подчеркивают, что нам нужно со всей серьезностью отнестись к той угрозе, что несут человечеству околоземные объекты, которые потенциально могут столкнуться с нашей планетой.

Как обсуждается в главе 3, реальная возможность столкновений крупных внеземных объектов с Землей привела к созданию разнообразных международных программ по отслеживанию этих объектов и взятию образцов вещества с некоторых из них. На момент написания этих строк в октябре 2021 года ученые идентифицировали свыше 27 тысяч околоземных объектов, и каждую неделю их количество увеличивается. Только в 2020 году было обнаружено более 2200 новых астероидов, приближающихся к нашей планете. По оценкам, сегодня обнаружено свыше 90 % околоземных объектов размером свыше километра, и теперь внимание ученых сосредоточено на более мелких астероидах размером более 140 метров. Для каждого открытого объекта по возможности вычисляется орбита, после чего можно оценить вероятность его столкновения с Землей. У некоторых астероидов ученые исследовали спектральные характеристики, получив информацию об их химическом и минералогическом составе. Это не только дает ключ к пониманию их происхождения, но имеет и практическое значение: если некий объект будет признан угрозой, то знание его физических и химических свойств окажется крайне важным для разработки методов его отражения.

Еще лучше взять образцы вещества напрямую. Как описывается в главе 3, японский космический аппарат «Хаябуса» опустился ненадолго на астероид Итокава и вернулся на Землю в 2010 году с небольшим количеством материала, взятого с его поверхности. После этого аппарат «Хаябуса-2» посетил еще один околоземный астероид, Рюгу, и собрал вещество с его поверхности; в декабре 2020 года эти образцы попали на Землю. Также в 2020 году американская межпланетная станция OSIRIS-REx села на астероид Бенну и взяла пробы вещества; по новым оценкам, его количество существенно больше, чем обнаруживалось предыдущими экспедициями[4]. Сейчас станция летит на Землю; прибытие запланировано на сентябрь 2023 года. Эти миссии стали удивительным достижением инженерной мысли, а собранные образцы вещества астероидов должны помочь нам узнать больше о природе околоземных объектов.

Одним из самых ожидаемых полетов к околоземным астероидам является путешествие американского аппарата DART (название — аббревиатура слов Double Asteroid Redirection Test, то есть испытания перенаправления двойного астероида) к двойному астероиду Дидим. Цель этой миссии — выяснить, может ли столкновение космического аппарата с астероидом помешать встрече космического тела с нашей планетой.

Астероид Дидим — на самом деле пара объектов, двигающихся по одной орбите: более крупный имеет в диаметре три четверти километра, а его спутник Диморф — около 160 метров. DART, запуск которого запланирован на ноябрь 2021 года, должен достичь этой пары в сентябре 2022 года[5]. План состоит в том, чтобы врезаться космическим аппаратом в Диморф на высокой скорости (6,6 километра в секунду), а потом пронаблюдать за изменением его орбиты вокруг более крупного компонента с помощью наземных телескопов. Согласно прогнозу, отклонение будет небольшим, но заметным. В случае успеха попадание в такую крохотную цель на расстоянии 11 миллионов километров от Земли станет еще одним выдающимся достижением человеческой техники. Это также окажется первым шагом на пути к защите человечества от разрушительного удара, подобного тому, который создал кратер Чикшулуб и вызвал вымирание примерно половины всех видов, живших тогда на земле.

Удары внеземных объектов — не единственное явление, связанное с массовыми вымираниями. В главе 10 рассказывается, что с вымираниями совпадали извержения в так называемых крупных магматических провинциях (КМП). Во всех случаях предполагаемая причина вымирания — выброс в атмосферу огромного количества парниковых газов от лавы; это вызывает повышение температуры, увеличение кислотности океана, снижение содержания кислорода в морской воде и, возможно, иные последствия для среды. Проблема здесь в том, что примерное совпадение по времени извержений КМП и массового вымирания еще не доказывает причинно-следственную связь между ними. Более того, массовые исчезновения видов происходят резко и быстро по геологическим меркам, в то время как извержения КМП могут происходить гораздо большее время и включать отдельные интервалы вулканической активности, перемежаемые относительно долгими (тысячи лет) периодами покоя.

Большая часть исследований связи между КМП и вымираниями, проведенных за последнее десятилетие, сосредоточена в трех областях: 1) получение более точной хронологии — и для летописи окаменелостей при вымираниях, и для извержений КМП; 2) разработка новых косвенных показателей (измеримых величин, которые отражают параметры среды, например, температуру) для отслеживания меняющихся условий среды во время вымираний; 3) разработка новых более точных численных моделей для таких меняющихся условий.

Возможно, лучше всего эти подходы иллюстрируют исследования Сибирских траппов (одной из крупнейших магматических провинций планеты) и связи с пермско-триасовым массовым вымиранием — самым смертоносным событием в геологической летописи (тогда погибло более 90 % морских видов и 75 % наземных; см. главу 10). Решающее значение для такой работы имеет детально проработанная геохронология. Измерения, проведенные в одной лаборатории с использованием одних и тех же методов (что устраняет искажения, связанные с различными условиями разных лабораторий), четко показывают взаимосвязь между временем вымирания и вулканической деятельностью КМП. Если коротко, то датирование осадочных слоев показывает, что пермско-триасовое вымирание началось 251,941 миллиона лет назад (обратите внимание на точность этого числа!) и длилось недолго, не более 60 тысяч лет. Напротив, вулканическая деятельность Сибирских траппов продолжалась примерно миллион лет[6]. Кроме того, масштабные излияния лавы начались примерно за 300 тысяч лет до вымирания. Такие наблюдения приводят к очевидному вопросу: что же послужило спусковым механизмом вымирания?

На этот вопрос удалось ответить благодаря тщательному изучению того, как развивалась магматическая активность во время излияния Сибирских траппов. Геохронологические исследования показывают, что в течение 300 тысяч лет — то есть до вымирания — основная активность была представлена излияниями поверхностных потоков лавы. Хотя их общий объем сложно оценить, слои этих потоков достигали толщины в несколько километров и, вероятно, выбрасывали в атмосферу значительное количество парниковых газов. Однако летопись окаменелостей показывает, что биологическая реакция при этом была незначительной или вовсе отсутствовала. Затем — возможно, в ответ на увеличившуюся нагрузку со стороны вышележащих лав — поверхностная вулканическая активность прекратилась. Расплавленный материал из мантии продолжал подниматься в кору, однако доминантной формой магматизма стало появление силлов — крупных плоских тел магмы, которые не доходили до поверхности, а простирались горизонтально по осадочным породам, подстилавшим поверхностные потоки лавы. Некоторые силлы достигают 350-метровой толщины, а их общий объем во всей провинции оценивается в два с лишним миллиона кубических километров.

Хронологические исследования показывают, что начало образования силлов точно соответствует началу пермско-триасового вымирания. Сибирские траппы формировались в Тунгусском бассейне — регионе, который в то время был покрыт толстыми слоями осадочных пород, включая эвапориты, карбонаты и уголь — как раз те породы, которые выделяют огромное количество летучих парниковых газов, если их станут нагревать и видоизменять появившиеся силлы. Последовало быстрое глобальное потепление. С помощью показателей, которые можно использовать для расчета температуры морской воды, исследователи выявили, что в экваториальных зонах температура воды на поверхности достигала 40 °C — величины, смертельной для многих видов животных. Наземные температуры были еще выше. Другие ученые использовали другой показатель — количество изотопов лития в океанических отложениях — чтобы продемонстрировать, что в это время шло интенсивное химическое выветривание континентов. Вывод был таков: значительно увеличившаяся концентрация углекислого газа в атмосфере приводила к выпадению кислотных осадков, быстро разрушавших поверхностные породы.

Если рассмотреть совместно результаты недавних исследований по хронологии магматизма Сибирских траппов и измерения различных косвенных показателей для интервала вымирания, то они убедительно подтверждают, что появление силлов в осадочных породах Тунгусского бассейна вызвало массовое выделение парниковых газов в атмосферу. Это привело к быстрому, интенсивному глобальному потеплению и длинному списку побочных эффектов, что в совокупности и обеспечило самое массовое вымирание в геологической летописи. Предполагаемое количество выброшенных парниковых газов намного превышает тот объем, который вырабатывает человечество сегодня. Тем не менее, этот катастрофический эпизод из прошлого Земли может послужить отрезвляющим напоминанием о хрупкости среды на нашей планете.

Читателям, заинтересовавшимся этими исследованиями, можно предложить познакомиться с работами Берджесса, Мюрхеда и Боуринга; Хе Суня и др.; Клэпхэма и Ренне (см. библиографию в конце книги).

Парниковая Земля во времена пермско-триасовой границы находится на одном краю спектра температур. На противоположном краю спектра располагаются ледниковые периоды, когда планету сковывал холод. Особо следует отметить интервал времени в конце протерозойского эона — примерно между 850 и 630 миллионами лет назад — который называется криогением (см. рисунок 21). Именно в это время Земля пережила два продолжительных периода экстремального холода, когда ледники простирались до тропиков, а океаны, возможно, были полностью покрыты льдом (состояние Земли-снежка).

Десять лет назад, когда эта книга была впервые опубликована, теория Земли-снежка вызывала споры. Но благодаря новым исследованиям эта идея получила широкое признание. Как и в случае обсуждавшегося выше пермско-триасового вымирания, ключевым элементом здесь стали новые точные измерения возраста и тщательный учет геологических условий для образцов, использованных для датировки. Данные показывают, что первое состояние Земли-снежка длилось более 55 миллионов лет, с 717 до 660 миллионов лет назад; второй эпизод был короче — примерно с 641 по 635 миллионов лет назад. Крайне важно отметить, что измерения на всех континентах и по всему криогению показывают: начало и окончание ледниковых событий были синхронными на всех континентах, и только в этих двух интервалах существуют отложения, типичные для ледникового периода.

Новые исследования подтверждают, что условия Земли-снежка были экстремальными. Например, ученые детально сравнили ледниковые отложения, появившиеся во времена Земли-снежка и во время недавних ледниковых периодов (в частности, плейстоценового ледникового периода, описанного в главе 8). Они обнаружили, что отложения Земли-снежка накапливались чрезвычайно медленно — в десять и более раз медленнее, чем это было во времена более поздних ледниковых периодов; а это означает экстремальные и продолжительные холод и сухость. Они подчеркивают уникальную природу этих промежутков времени: по их словам, скорость накопления гляциальных отложений в состоянии Земли-снежка была самой медленной в истории планеты.

В главе 7 мы коснемся предположений ученых о том, что состояние Земли-снежка всякий раз резко заканчивалось, когда вулканический углекислый газ вызывал глобальное потепление. Недавние исследования наземных ледниковых отложений на Шпицбергене в Арктике подтвердили этот вывод, хотя тут есть тонкость. Специалисты, участвовавшие в этой работе, провели детальное обследование осадочной толщи, отложившейся в конце второго эпизода Земли-снежка (примерно 635 миллионов лет назад). В то время Шпицберген располагался в тропиках. Они обнаружили, что отложения говорят не об одном резком отступлении ледников, а о целой серии отступлений и наступлений, напоминающих циклы Кролля — Миланковича для плейстоценового ледникового периода (см. главу 8). Моделируя поведение низкоширотных ледяных щитов при различных сценариях, они смогли показать, что параметры орбиты, которые влияют на количество солнечной энергии, попадающей на Землю, и являются причиной циклов Кролля — Миланковича, могли воздействовать и на ледники Земли-снежка во времена относительно быстрого перехода между ледниковыми условиями и последующим парниковым климатом. Таким образом, модели подтвердили то, что, по-видимому, демонстрировали и полевые данные: эпизод Земли-снежка закончился не внезапным переключением в теплое состояние, а сложным переходным периодом, в течение которого мировые температуры повышались и понижались под влиянием параметров орбиты планеты.

Подробнее об этих исследованиях можно прочитать в работах Бенна и др., Руни и др., Макленнана и др., Крокфорда и др. (см. библиографию в конце книги).

Наконец, мы подошли к вопросу об антропогенном изменении климата (глава 13). Почти наверняка это та область наук о Земле, в которой за последнее десятилетие достигнуты наиболее масштабные успехи — в первую очередь за счет разработки и уточнения косвенных показателей, которые могут отслеживать различные параметры окружающей среды в разные моменты прошлого Земли, а также за счет развития и уточнения климатических моделей, что стало возможным благодаря повышению вычислительных мощностей компьютеров. Эти показатели позволяют нам оценивать, как планета реагировала на прошлые экстремальные климатические условия, а с помощью итеративного процесса сравнения результатов моделирования с данными косвенных показателей мы получили возможность более точно определять процессы и механизмы, которые контролировали изменения климата в прошлом. Это, в свою очередь, привело к увеличению уверенности в прогнозах климата в будущем при различных сценариях выбросов парниковых газов — в некоторых случаях вплоть до регионального уровня.

Климатологи более пятидесяти лет пишут об антропогенном глобальном потеплении. Однако наука продвигается вперед, уточняя предыдущие исследования, совершенствуя процедуры и обнаруживая недостатки в предыдущих рассуждениях, поэтому к прогнозам и категорическим утверждениям ученые проявляют естественную настороженность. В результате до недавнего времени большинство климатологов с большой осторожностью связывали экстремальные погодные явления с антропогенным глобальным потеплением. Но все меняется. Сейчас газеты, телевизор и интернет регулярно бомбардируют нас историями о наводнениях, лесных пожарах, аномальной жаре и засухах, приводя при этом слова специалистов, что главным фактором тут является влияние человека на климат. Связь устанавливается обычно в виде вероятностных, а не абсолютных утверждений, однако идея ясна: по мере того, как планета нагревается, такие экстремальные события становятся все более вероятными.

В 1988 году Организация Объединенных Наций создала Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК), поставив перед ней задачу оценки рисков антропогенного изменения климата и создания докладов по этим вопросам. В настоящее время группа представляет 195 стран. Сейчас она завершает свой шестой доклад, который предполагается опубликовать до конца 2022 года. Как и предыдущие доклады, он охватывает работы тысяч ученых по всему миру и обеспечивает политикам и общественности понимание изменений в климате, вызванных деятельностью человека.

Одна из рабочих групп, участвовавших в этой работе, уже опубликовала свой раздел доклада в виде проекта. Он называется «Изменения климата 2021: физические основы» и базируется на исчерпывающем обзоре последних климатических моделей, рецензируемых исследований и палеоклиматических данных. В начале документа авторы делают следующий вывод: «Несомненно, человеческая деятельность разогрела атмосферу, океан и сушу. Произошли масштабные и быстрые изменения в атмосфере, океане, криосфере и биосфере». Через несколько страниц отмечается, что «перемены, вызванные человеческой деятельностью, уже сказываются на многих погодных и климатических экстремальных явлениях во всех регионах мира». Заключения из этого отчета, особенно касающиеся возможных вариантов климата в будущем, в значительной степени опираются на те разновидности числовых моделей и данных из прошлого нашей планеты, которые обсуждались в этом предисловии. Когда в августе 2021 года появился этот документ, британская газета The Guardian назвала его «самым явным предупреждением… о серьезных, неизбежных и необратимых изменениях климата», сделанным МГЭИК.

Частота экстремальных погодных явлений за последние годы продолжает расти, и в результате реальность перемен в климате стала очевидной для всех. Недавние исследования (в том числе вошедшие в доклад МГЭИК) устанавливают связь климата и антропогенной деятельности так прочно, что правительства разных стран с запозданием начинают замечать проблему. Когда я пишу это предисловие, в шотландском городе Глазго вот-вот начнется крупная международная конференция по климату — СОР26. В ней примут участие почти 140 мировых лидеров, тысячи ученых, бизнесменов, государственных деятелей и других лиц. Цели грандиозны. Среди них — добиться нулевых выбросов углерода к середине XXI века. Если это удастся сделать, то можно будет предотвратить некоторые ужасные последствия, предсказываемые климатическими моделями при сохранении текущего положения дел.

Когда я пишу эти строки в октябре 2021 года, на острове Ла Пальма извергается вулкан Кумбре-Вьеха; пепел и лава безжалостно уничтожают дома и всю местность. Это пример деятельности нашей динамичной планеты, и пострадавшие мало что могут сделать — разве что покинуть зону бедствия. Однако когда речь идет о других явлениях — например, столкновениях с околоземными объектами или изменениях климата, — мы должны применить свой научный опыт и технические возможности во избежание наихудших сценариев, и для этого нужно проявить политическую волю. Вулкан на острове Ла Пальма — напоминание, что Земле нет дела до нас. Но нам есть дело до своей планеты. Мы должны заботиться о ней.

Дуг Макдугалл

Эдинбург, Шотландия

Октябрь 2021

Предисловие

Земля — не осколок мертвой истории, не пласты, слежавшиеся, как листы в книге, интересные для одних лишь геологов и антиквариев; это — живая поэзия, листы дерева, за которыми следуют цветы и плоды; она — не ископаемое, а живое существо.

Генри Дэвид Торо,

«Уолден, или Жизнь в лесу»[7]

В этом отрывке Торо непреднамеренно коснулся того, что геологи и другие ученые, изучающие Землю, осознавали давно, и что в последние годы становится все более важным для понимания нашей планеты: Земля не статична, она динамична и постоянно изменяется. Она не живая в полной мере, но ее части непрерывно взаимодействуют друг с другом, и это обуславливает колоссальные перемены, происходящие с планетой на протяжении истории. Один из способов «прочитать» ее — как у Торо, по пластам, подобным листам в книге; но есть и другие способы, которые появятся в последующих главах.

«История повторяется» — это выражение, которое обычно используют, чтобы напомнить нам: изучая историю, мы можем избежать ошибок прошлого. Это может быть правдой — по крайней мере, иногда. И тем не менее существуют люди — например Нассим Талеб, автор «Черного лебедя» — которые утверждают прямо противоположное: история отнюдь не является хорошим путеводителем по будущему, а мир сформирован событиями исключительными и не имеющими прецедентов — а потому в основном непредсказуемыми. Но даже сторонники этой точки зрения не считают, что нам следует становиться фаталистами, а полагают, что нужно научиться ожидать неожиданного. Но если так, то стоит ли вообще изучать историю?

В случае Земли ответить просто, поскольку только знание прошлого нашей планеты дает возможность предвидеть ее будущее. Да, Природа может столкнуть нас с неожиданностями: жестокой бурей, разрушительным землетрясением, цунами или падением астероида. Однако неожиданными они являются только потому, что редко происходят на нашей памяти. Но на протяжении истории Земли эти события случались многократно, и они подчиняются законам физики и химии. Вот почему так важно расшифровать прошлое Земли: в будущем будут действовать те же самые физические и химические принципы, которые управляли нашей планетой с момента ее образования. История в самом деле повторится — если не в деталях, то хотя бы в общих чертах. Студентов-геологов часто учат, что настоящее — ключ к прошлому. Однако специалисты, изучающие Землю, также понимают, что во многих отношениях прошлое — это ключ к будущему.

Земля существует очень давно — 4,5 миллиарда лет. Этот огромный промежуток времени трудно вообразить, однако при таком количестве времени даже геологические процессы, которые идут со скоростью улитки — например эрозия гор или движение литосферных плит — в конечном итоге приведут к огромным переменам на планете. Пусть через миллионы лет, но Альпы превратятся в равнину, а Лос-Анджелес проскользнет мимо Сан-Франциско, направляясь на север вдоль разлома Сан-Андреас.

Над такими прогнозами интересно размышлять, однако ясно, что это дело отдаленного будущего. Этого не увидят ни читатели этой книги, ни их правнуки. С гораздо большей вероятностью мы столкнемся с последствиями некоторых имеющих отношение к геонаукам проблем, о которых слышим ежедневно: наводнения, ураганы, извержения вулканов, вырубка лесов, исчезновение видов, нехватка полезных ископаемых — список можно продолжать. А ведь я еще не упомянул о самом важном — изменении климата. Проблема в том, что большинство людей, не знакомых с науками о Земле, не имеют четкого представления о том, как работают процессы, затрагивающие нашу повседневную жизнь и наше будущее. Это верно даже в отношении многих из тех людей, которые должны управлять реакцией общества на такие проблемы. К сожалению, наукам о Земле в системе образования обычно уделяют мало внимания. Например, по данным Американского геологического института, в Техасе — штате, где геонауки весьма важны для экономики — курс наук о Земле есть всего у двух процентов девятиклассников. Для биологии этот показатель составляет 95 процентов. Я надеюсь, что эта книга хоть в какой-то степени стимулирует у читателей интерес к геологии и поможет улучшить ситуацию.

Поскольку знание прошлого Земли — весьма важная составляющая понимания того, как наша планета работает сегодня и будет работать в будущем, эта книга, помимо рассказа о конкретных темах — например, землетрясениях и ударах астероидов — рассматривает в хронологическом порядке некоторые важные события, которые влияли на Землю за последние 4,5 миллиарда лет. Главы, посвященные истории Земли, чередуются с главами, посвященными конкретным событиям и процессам; я надеюсь, что такое построение книги, пусть оно и не традиционно, окажется и полезным, и интересным. Я старался по возможности не вязнуть в сложных научных дискуссиях, но при этом все же придерживаться основных идей обсуждаемых исследований.

XXI век — захватывающее время для специалистов по геонаукам. Типичный, стереотипный геолог, карабкающийся на гору с геологическим молотком, все еще существует — и играет важную практическую роль. Однако к молотку теперь добавляется обильный инструментарий, который позволяет изучать Землю и Солнечную систему с беспрецедентной детализацией: спутники, суперкомпьютеры, электронные микроскопы, масс-спектрометры, системы беспроводной связи, подводные аппараты и космические корабли — и это далеко не все. Одним из астронавтов, побывавших на Луне, был геолог Харрисон Шмитт (он привез на Землю образцы горных пород). Специалисты, изучающие Землю, постоянно спускаются на многокилометровые глубины в батискафах, надевают защитную одежду, чтобы взять пробы газов, выделяющихся из действующих вулканов, отправляют автономные дрейфующие буи собирать данные в океанах, или бросают вызов опасностям Антарктики, добывая ледяные керны, чтобы получить данные о климате прошлых эпох. Некоторые работают в чистых лабораториях с такими крохотными образцами, что одна частичка пыли или отпечаток пальца могут испортить анализ; другие загружают собранные данные в суперкомпьютеры, чтобы создать трехмерные изображения различных частей Земли. Многие из этих людей не станут автоматически причислять себя к геологам — они изучали не только геологию, но и математику или океанографию. Однако все они вносят свой вклад в междисциплинарное изучение прошлого, настоящего и будущего нашей планеты. Именно в этом смысле используется слово геология в названии этой книги: геология — это изучение Земли в широком смысле.

Поводом к написанию этой книги отчасти послужило желание поделиться тем, что геологи узнали о нашей потрясающей планете за последние десятилетия. Другим источником была моя убежденность в том, что геоисследования действительно важны для нашего будущего. Надежное управление водными, минеральными и энергетическими ресурсами, защита биологического разнообразия, планирование изменений климата и геологических рисков — все это зависит от того, насколько мы понимаем устройство Земли как системы и ее реакции на различные условия в прошлом. Я надеюсь, что моя книга донесет эту идею и в то же время даст представление о том, как ученые стремятся к этому пониманию.

Благодарности

Появлению этой книги способствовали многие люди. Я особенно благодарен двум рецензентам первоначальной рукописи, профессорам Ричарду Коуэну и Эрнесту Зебровски, которые сделали множество ценных замечаний, обнаружили ошибки и в целом указали на способы сделать книгу более привлекательной. Блейк Эдгар и Дор Браун из издательства Калифорнийского университета усердно старались, чтобы рукопись соответствовала их высоким редакционным стандартам. Все оставшиеся недостатки — исключительно моя вина.

Мой агент Рик Балкин, как всегда, оказывал неоценимую поддержку и давал полезные советы на протяжении всей работы — от идеи до итоговой рукописи. Я уверен, что текст книги значительно улучшают фотографии, которые любезно предоставили Абигайль Олвуд, Рик Отто, Джим и Ребекка Брюн. Я также благодарен Геологической службе США и НАСА за их политику «открытого использования»; этим организациям принадлежат несколько изображений, использованных в книге. Спасибо также Рону Блейки за разрешение использовать его палеокарты в качестве основы для нескольких иллюстраций, а также Зигфусу Джонсену и Центру льда и климата Института Нильса Бора за разрешение воспроизвести диаграмму из книги Вилли Дансгора «Замороженные анналы».

Глава 1

Увековечено в камне

В 1969 году, когда я учился в Калифорнии, астрологи, ясновидящие и проповедники запустили волну предсказаний о разрушительном землетрясении, после которого штат (или, по крайней мере, большая его часть) уйдет под воду. Провидцы утверждали, что это произойдет в апреле, хотя согласия насчет точной даты не было. Некоторые люди отнеслись к этой новости очень серьезно, продали свои дома и переехали в другое место. Другие, не такие осторожные, просто искали место повыше 4 апреля — в день, когда предсказатели обещали эту катастрофу. Карикатуристы и газетные обозреватели вволю повеселились, высмеивая страхи перед землетрясением, а для нас, студентов-геологов, эта кутерьма казалась не только забавной, но и несколько странной. В полиции, пожарных частях и на геологических факультетах университетов раздавались тысячи тревожных звонков от нервных граждан. Рональду Рейгану, тогдашнему губернатору штата, пришлось объяснять, что его отпуск за пределами штата был запланирован заранее и никакого отношения к землетрясению не имеет. Мэр Сан-Франциско запланировал «антисейсмическую» вечеринку на 18 апреля — в шестьдесят третью годовщину крупного землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году. Он заверил общественность, что вечеринка состоится на суше.

Естественно, Калифорния в 1969 году не провалилась в море, и сильного землетрясения вообще не произошло (хотя землетрясения были, как это случается каждый год, но большинство из них оказались совсем слабыми). Астрологи не могут предсказывать землетрясения (да и остальное тоже). Как мы увидим далее, даже представители геонаук, располагающие подробными научными данными и самыми современными приборами, считают точное предсказание землетрясений труднодостижимым. Однако для многих других геологических явлений ситуация с прогнозированием обстоит намного лучше. И в основе такого прогноза лежит работа, которую традиционно выполняли геологи: расшифровка прошлого.

Но как именно они это делают? Куда смотрят ученые, чтобы найти ключи к деталям истории нашей планеты, и как они интерпретируют их? Такие вопросы лежат в основе этой книги, и ответ на них подсказывает название главы: ключи большей частью находят в камнях на поверхности Земли. (Существуют и другие природные архивы истории Земли — например, годичные кольца деревьев и антарктический лед. В частности, бесценную информацию о климате прошлых эпох дают ледяные керны. Но эти документы рассказывают только об относительно недавнем геологическом прошлом. Камни же позволяют смотреть на миллионы лет назад).

Для непосвященных камень — это просто камень, какой-то твердый неживой предмет, который можно пинком сбросить с дороги или швырнуть в пруд. Однако посмотрите внимательнее и задайте правильные вопросы — и он станет чем-то большим, или даже гораздо большим. Каждому камню на поверхности Земли есть что рассказать. Как образовалась эта порода? Когда она образовалась? Из чего она состоит? Какая у нее история? Как она попала сюда и откуда она взялась? Почему определенный вид горных пород в одном регионе распространен, а в другом — нет? Долгое время в странах Запада, преимущественно христианских, ответы на эти вопросы ограничивались религией. Считалось, что важную роль в формировании современного ландшафта сыграл библейский потоп, и объяснения многих геологических особенностей должны были строиться вокруг предполагаемой реальности этого события. Однако по мере укоренения идей Просвещения в семнадцатом и восемнадцатом веках, когда желавшие понять Землю начинали все тщательнее наблюдать за природой, влияние религии уменьшилось, и стали возникать более рациональные объяснения. Для геологии — дисциплины, уходящей корнями в поиск и добычу полезных ископаемых — существенным было еще и давление со стороны торговли. Те, кто лучше всего понимал, как образовывались жилы с золотом, или лучше всего знал, в каких геологических условиях они могут существовать, имели больше шансов найти очередную жилу.

Я не стану подробно останавливаться на истории развития геологии как науки или на деталях развития ранних геологических идей — об этом рассказывает множество других книг. Однако стоит указать на несколько ключевых ранних концепций, которые перевернули представления людей — не только учёных — о своей планете. Большинство таких интеллектуальных прорывов состоялось в Европе (особенно в Британии) в восемнадцатом и начале девятнадцатого веков; и, хотя к аналогичным выводам намного раньше пришли мыслители Ближнего Востока и других мест, именно европейские версии этих идей стали краеугольным камнем возникающей комплексной науки о Земле.

Что это были за идеи, и откуда они появились? Все они без исключения возникли в результате изучения выходов горных пород на поверхность и наблюдения за идущими геологическими процессами. Одна из новых концепций заключалась в том, что различные типы пород имеют разное происхождение, и сегодня это кажется достаточно очевидным. Однако в восемнадцатом веке популярно было представление, что все породы образовались в результате осаждения — либо в первичном мировом океане, либо в водах библейского потопа. Тех, кто отстаивал эту идею, по понятным причинам назвали нептунистами, и они не спешили отказываться от своих убеждений. Однако ситуацию изменили новые данные — например, наблюдения шотландского геолога Джеймса Хаттона, который описал обнажения, явно показывавшие, что некоторые породы когда-то были расплавленными. Изучая эти обнажения, Хаттон пришел к выводу, что текучий материал, ставший затем камнем, когда-то попал внутрь уже существовавших слоев, разрушил и нагрел их. Описание этих некогда расплавленных пород, не говоря уже о существовании активных вулканов (вроде Этны и Везувия в южной Европе), привело людей к осознанию, что внутри планеты должны находиться значительного резервуары тепла.

Вторая важная концепция заключалась в том, что медленные и непрестанные геологические процессы, которые можно легко увидеть (дождевые воды растворяют породы, реки прорезают каньоны, частицы оседают на дне моря), следуют законам физики и химии. Нам снова по прошествии времени кажется, что это очевидно, однако отсюда вытекало — и это стало революционной идеей для первых геологов — что геологические процессы прошлого должны были следовать тем же законам. Это означало, что физические и химические характеристики древних пород можно интерпретировать, наблюдая за современными процессами. Чарлз Лайель, выдающийся британский геолог своего времени, выдвинул эту идею в качестве необходимой для понимания истории Земли в своей книге «Основные начала геологии», впервые опубликованной в 1830 году. (Книга была настолько популярной, что выдержала множество изданий, и все еще выпускается в современной серии Penguin Classics). Лайель не был автором этой концепции, но он назвал ее «принципом униформизма», и название прижилось. Хотя само выражение уже не в моде, поколения студентов, изучающих геологию, узнавали, что на самом деле оно означает «настоящее — ключ к прошлому». И, хотя первые геологи в основном интересовались прошлым Земли, принцип униформизма можно перевернуть: по той же логике прошлое — это в некоторой степени ключ к будущему.

Наконец, самой революционной из новых концепций была такая: Земля крайне стара. Это шло вразрез как с общепринятыми взглядами тогдашних ученых, так и с религиозными догмами. Как и другие ранние геологические идеи, мысль о древней Земле формализовал Джеймс Хаттон, написавший: «Мы не находим ни следов начала, ни перспектив конца». (Эту фразу часто цитируют как описание концепции «глубокого времени» — геологического времени с медленным протеканием процессов). К концепции древней Земли Хаттона привело не одно конкретное наблюдение: этот вывод он сделал, объединив все свои исследования геологических процессов и обнажений горных пород; например, он видел огромную толщину слоев породы, состоящей из отдельных осадочных частиц, которые могли накопиться по крупинке только в течение невообразимо длительного промежутка времени.

Книга Лайеля популяризовала и широко распространила эти идеи, и они легли в фундамент геологии, которая в девятнадцатом веке стала наукой, во многом свободной от религиозных оков. Способствовал становлению и постоянно растущий спрос на минералы и другие ресурсы. Страны создали службы геологической разведки, занимавшиеся составлением геологических карт и обнаружением природных ресурсов, а в университетах появились кафедры геологии. Расшифровка прошлого стала постоянной профессией для целого легиона специалистов.

Сегодня геология — часть гораздо более общей группы дисциплин, изучающих Землю, куда входит многое — от океанографии до минералогии и науки об окружающей среде. На современном факультете геонаук в одном здании работают люди, занимающиеся самыми разными вещами: изменения климата, биологическая эволюция, химический состав недр Земли и даже происхождение Луны.

Однако давайте вернемся к тем ключам к прошлому Земли, что заложены в физических и химических свойствах горных пород планеты — ключам, высеченным в камне. Задача ученых — найти и интерпретировать их, и в последние годы для этого разработаны весьма изощренные методы. Тем не менее есть несколько очень простых примеров, издавна используемых геологами, которые иллюстрируют, как работает этот метод. Возьмем магматические горные породы, которые образуются из расплавленного материала, поднимающегося из недр Земли. Они могут быть самыми разными: от обычных всем известных разновидностей вроде гранита и базальта до более экзотических типов, о которых вы, вероятно, не слышали — лампрофира и чарнокита. Химический анализ этих пород может дать информацию о том, как они возникли, однако для химического анализа нужно сложное оборудование. С другой стороны, существует весьма простой признак, доступный любому и дающий возможность понять, где образовались породы. Этот признак — размер зерна.

Магматические горные породы состоят из миллионов крошечных сросшихся минеральных зерен, которые кристаллизировались по мере остывания жидкой породы. Величина этих зерен зависит от того, насколько быстро происходит охлаждение: потоки лавы, которые изверглись на поверхность Земли, остывают очень быстро, и в результате получаются мелкозернистые породы. Однако не вся лава выходит на поверхность. Часть остается в вулканических каналах — возможно, на глубине нескольких километров. Вышележащие породы обеспечивают хорошую изоляцию, и поэтому такой материал может остывать в течение очень долгого времени, и медленно растущие минеральные зерна становятся гораздо крупнее, чем их эквиваленты на поверхности планеты. По этой причине породы с одинаковым химическим составом могут иметь разную текстуру и совсем по-разному выглядеть — всё зависит от того, насколько быстро они остывали. Этот простой признак можно использовать, чтобы сказать кое-что о глубине, на которой формировались породы.

Менее очевидные характеристики требуют большей изобретательности, но выгода — с точки зрения того, что можно узнать об истории Земли — настолько велика, что специалисты постоянно ищут новые способы исследования горных пород. Как мы увидим в последующих главах, особенно важной стала геохимия — в частности, подробности химического состава горных пород или ледяных кернов. Поведение химических элементов — железа, серы, молибдена — зависит, например, от количества кислорода в окружающей среде. В результате минералы этих элементов оказываются чувствительными индикаторами уровня кислорода при их образовании, и в некоторых случаях их можно использовать для определения количества кислорода в древнем океане или атмосфере.

Аналогичным образом одним из важных способов извлечения информации о прошлом Земли стал анализ изотопов. (Изотопы — это слегка отличающиеся разновидности одного химического элемента; почти все элементы в периодической таблице имеют несколько изотопов). Когда мы измеряем содержание различных изотопов определенного химического элемента в образце, часто можно узнать условия, которые превалировали при его формировании; далее в книге мы встретим множество примеров такого подхода. Например, содержание изотопов водорода и кислорода в ледяном керне может рассказать нам о температуре 100 000 лет назад; изотопы в какой-нибудь древней породе могли зафиксировать процесс, который ее создал, и это дает нам возможность исследовать, был ли похож этот процесс на те, что происходят сейчас, или отличается от них.

Самое первое применение изотопов в науках о Земле (если не считать использование радиоактивных изотопов для датировки) до сих пор вызывает восхищение геохимиков, а иногда и изумление тех, кто ничего не слышал о геохимии. Это хорошая иллюстрация того, как обычные камни могут быть настоящей сокровищницей сведений о прошлом — для тех, кто умеет задавать правильные вопросы. В конце 1940-х годов лауреат Нобелевской премии химик Гарольд Юри из Чикагского университета на основе теоретических выкладок обнаружил, что в некоторых соединениях пропорции различных изотопов кислорода зависят от температуры, при которой эти соединения образовывались. Химика осенила новаторская идея, что это свойство можно использовать для определения температуры древнего океана. Юри предположил, что, измерив содержание изотопов кислорода в карбонате кальция, входящем в состав раковин окаменевших морских организмов, можно вычислить температуру воды, в которой эти существа некогда жили. Вместе со своими учениками Юри проверил эту теорию, и проведенные ими измерения сделали их пионерами в области «палеотемпературного» анализа. После этой первой работы содержание изотопов кислорода измеряли уже десятки тысяч, если не сотни тысяч раз, и это позволило детально зафиксировать колебания температуры морской воды в прошлом. По моему скромному мнению (хотя, возможно, я слегка необъективен, поскольку сам занимался геохимией), палеотемпературная работа Юри входит в число величайших достижений в области наук о земле.

Конечно, различные типы горных пород поднимают разные вопросы о прошлом (или как минимум позволяют задавать различные вопросы), однако ученые разработали четко определенные подходы для большинства разновидностей пород в трех основных категориях: магматические, осадочные и метаморфические горные породы. Это известное деление основано на способе образования: магматические породы (например, гранит) образовались из расплавленных предшественников, и одним из первых это осознал Джеймс Хаттон; осадочные породы возникли в результате осаждения частиц, обычно из воды; метаморфические породы возникают, когда с породой-предшественником происходят физико-химические изменения — как правило, при нагреве или напряжении во время таких процессов, как глубокое погружение или горообразование. Современные теории о формировании и развитии внешней части Земли основаны на данных, полученных в основном из химических свойств магматических и метаморфических пород — основных компонентов как континентов, так и океанического дна. Однако во многих отношениях наиболее важными для расшифровки истории планеты являются осадочные породы.

Почему так произошло? Причин как минимум две. Во-первых, они образуются на поверхности Земли, в основном в море, но иногда (например, в случае пород, состоящих из песка) — при контакте с атмосферой. Это означает, что потенциально эти породы содержат информацию об условиях на поверхности Земли в далеком прошлом. Во-вторых, многие осадочные породы содержат окаменелости — основные свидетельства возникновения и развития жизни на Земле. Без окаменелостей наше понимание эволюции было бы рудиментарным.

Собирая воедино тысячи и тысячи фактов из исследований отдельных магматических, метаморфических и осадочных пород и их обнажений, ученые постепенно соткали историю Земли. Как обычно и бывает в истории, чем дальше вы заходите в прошлое, тем менее четкими становятся детали. Некоторые из самых древних свидетельств полностью отсутствуют, или их трудно расшифровать, поскольку геологические процессы, происходившие на планете миллионы и миллиарды лет, изменили характеристики горных пород и запутали все содержащиеся в них намеки и подсказки. Тем не менее, повествование об эволюции нашей планеты в том виде, как мы ее сегодня представляем — это выдающееся научное достижение. При этом рассказ постоянно пересматривается и обновляется — по мере того, как появляются новые открытия, а усовершенствование наших аналитических возможностей позволяет задавать новые вопросы.

Так что же насчет хронологии? Как специалисты определили временную шкалу для такого повествования? Если мы хотим понять значение событий, их нужно упорядочить по времени; не особо полезно знать температуру морской воды, в которой росло какое-то ископаемое животное, если вы понятия не имеете, когда оно жило. С момента хаттоновского «ни следов начала, ни перспектив конца» (и даже еще раньше) ученые искали способы определить возраст горных пород и Земли в целом. Конечной цели — разработки методов, которые могли бы дать «абсолютный» возраст горных пород в годах — удалось добиться только с открытием радиоактивности в конце XIX века. Вскоре мы к этому вернемся. Однако задолго до появления методов радиоизотопного датирования ученые разработали первые варианты геологической шкалы, расположив во времени важные события из истории планеты. (Современную версию можно увидеть на рисунке 1; если вы еще не знакомы с названиями геологических эонов, периодов и т. д., то при чтении книги имеет смысл обращаться к этой диаграмме). Как они это сделали?

Еще в 1660-х годах датский анатом Нильс Стенсен[8], отличавшийся ненасытным любопытством к миру природы, осознал, что породы в нижней части толщи осадочных слоев должны быть старше, чем те, что находятся сверху. В то время Стенсен жил в Италии, и его наблюдения были сделаны при изучении осадочных пород в Альпах. Его идея состояла в том, что альпийские осадочные слои (и окаменелости, в них содержащиеся) имеют большое значение для определения времени. Разумеется, можно было установить лишь относительное время: Стенсен мог сказать, был ли данный слой старше или моложе своих соседей, но не мог определить его фактический возраст. Сейчас это может показаться очевидным, но в то время это был настоящий прорыв. Изучая слои залегающих в Альпах горных пород, Стенсен смог наглядно представить способ и время их образования. Сегодня он считается основоположником стратиграфии — раздела геологии, изучающего слои осадочных пород.

После Стенсена его простой принцип упорядочивания осадочных слоев во времени стали использовать, чтобы получить относительную хронологию геологических событий. Это было достаточно просто сделать в каком-то одном регионе, когда на различных обнажениях можно проследить отдельные слои. Трудности появляются с установлением корреляции на больших расстояниях. Имеет ли слой известняка во Франции тот же возраст, который имеет такой же слой в Англии, в Швеции или по ту сторону Атлантики в Соединенных Штатах? Трудно сказать. Можно было построить относительные шкалы в отдельных регионах, но глобальная единая шкала казалась недостижимой.

Однако осадочные породы содержали ключи к решению этой задачи. Задолго до того, как Чарлз Дарвин писал об эволюции, ученые признавали, что жизнь на планете со временем менялась. Куда бы они ни смотрели, обнаруживалась одна и та же история. Окаменелости в самых молодых породах в верхней части осадочных толщ походили на живущие формы, однако окаменелости из нижних, более старых слоев часто оказывались мелкими и совершенно несходными со всеми известными растениями и животными. А в некоторых местах ниже пород, содержащих незнакомые окаменелости, лежали слои, полностью лишенные признаков животной или растительной жизни. Эти слои были еще древнее.

Одним из первых, кто осознал практическое применение этой последовательности, был британский землемер Уильям Смит. Занимался он межеванием земель и обмером шахт, но его страстью была геология: путешествуя по делам по стране, он делал заметки о местной геологии и собирал окаменелости. Он обратил внимание, что порядок, в котором сообщества организмов меняются при переходе от старых пород к более молодым, сохраняется, даже если сами породы выглядят по-разному. За полвека с лишним до того, как Дарвин опубликовал свое «Происхождение видов», Смит с гордостью показывал друзьям свою коллекцию окаменелостей, которую организовал по относительному возрасту, а не по сходству организмов, как обычно делали современные ему коллекционеры. Хотя Смит этого и не осознавал, он использовал эволюцию, зафиксированную окаменелостями, чтобы установить связь между осадочными породами, образовавшимися в одно время, но в разных и отдаленных друг от друга местах. Цель — глобальная относительная шкала времени — стала на шаг ближе.

Рисунок 1. Геохронологическая шкала с датами в миллионах лет от нынешнего момента. Обратите внимание на изменение масштаба в момент 700 миллионов лет в протерозойском эоне. Здесь показаны только крупные подразделы временной шкалы; геологи выделяют много более мелких интервалов. (На основе последних данных Международной комиссии по стратиграфии).

Последователи Стенсена и Смита постепенно строили геологическую шкалу времени, пока не заполнили подразделы, показанные на рисунке 1 — от кембрийского периода до нашего времени. Названия, которые они присваивали крупным подразделам шкалы (в частности, периодам), обычно отсылали к названиям географических регионов, изобиловавших породами соответствующего времени, которые содержали окаменелости, и где их впервые детально описали — например юрский период назван по горному массиву Юра в Швейцарии, а ордовикский и силурийский — по названиям двух древних племен, живших в разных частях Уэльса, ордовиков и силуров. Все это было сделано до открытия радиоактивности, и ученые не представляли, насколько осваиваемый ими промежуток времени масштабен на самом деле. Кроме того, поскольку относительная шкала была основана на окаменелостях, то ниже кембрийского периода она оставалась пустой[9]. Более старые породы для первых геологов не содержали вообще никаких окаменелостей (как мы увидим, жизнь на Земле существовала задолго до этого, однако окаменелости тех времен в основном мелкие, редкие, и их легко не заметить). Эти древние и с виду безжизненные породы назвали просто «докембрием».

Такая первая относительная хронологическая шкала фактически была летописью эволюции морской жизни. Хотя в прошлом, как и сегодня, формы жизни в разных географических местах различались, общий порядок эволюции, отраженный в летописи окаменелостей, достаточно ясен, чтобы мы могли правильно расположить осадочные породы в любой точке мира, если они содержат окаменелости. Например, девонские скалы в Европе содержат ископаемые сообщества, которые весьма похожи на такие же сообщества из девонских пород Америки и Африки. Это очень помогло в создании временной шкалы, потому что на Земле нет одного места, где бы нашлась непрерывная последовательность осадочных слоев с породами от кембрия до настоящего времени (или хотя бы значительная часть такого промежутка). Временную шкалу приходится строить постепенно путем детального изучения небольших фрагментов такой географической колонки (как ее часто называют), расположенных в разных местах, и исследовать корреляцию там, где есть очевидное перекрытие. Поначалу такой подход может показаться несистематическим, но на деле он оказался крайне успешным, о чем свидетельствует шкала на рисунке 1. Наше понимание эволюции настолько полно, что опытный геолог может подойти к выходу осадочных пород в любой точке мира, и если он найдет несколько окаменелостей, то довольно точно определит место породы на геологической шкале времени.

Этого удалось добиться несмотря на то, что в качестве окаменелостей сохранилась лишь небольшая часть видов, когда-либо существовавших на планете. Не так-то просто стать ископаемым. Согласно большинству оценок, в горных породах сохранилось менее 1 % видов, и несложно понять, почему. Даже в самых благоприятных условиях — на тихом морском дне с медленно накапливающимися илистыми отложениями — большинство мертвых организмов до сохранения сгниют или растворятся, или вообще еще раньше будут съедены падальщиками. Обычно сохраняются лишь твердые части — раковины, кости и зубы, да и то часто в виде фрагментов. Проблема усугубляется тем, что иногда трудно догадаться о целом по части. Окаменелые зубы акул встречались достаточно регулярно, однако долгое время — несмотря на то, что акулы всем известны — никто не знал, что это за окаменелости, поскольку они были изолированными предметами, не связанными с чем-то иным. Даже в том случае, когда окаменелость сохраняется целиком, эрозия или метаморфизм могут впоследствии уничтожить ту осадочную породу, которая ее содержит. Возникающие пробелы в палеонтологической летописи беспокоили многих ученых, включая Дарвина.

И тем не менее, даже с ограниченной выборкой окаменелых видов осадочные горные породы удивительно подробно рассказывают о том, как менялась жизнь на планете. Первые геологи проводили границы между эрами и периодами и даже между более мелкими подразделами временной шкалы в тех местах геологической колонки, где наблюдали быстрое изменение типов сохранившихся ископаемых. Названия трех эр, показанных на рисунке 1 — палеозойская, мезозойская и кайнозойская — взяты из греческого языка и означают «древняя жизнь», «средняя жизнь» и «новая жизнь», поскольку на границах между ними происходят резкие перемены в окаменелостях, и по мере приближения к настоящему сохраняющиеся формы жизни становятся все более знакомыми. Эти границы легко проследить всюду, где встречаются породы соответствующего возраста, и сейчас мы знаем, что они фиксируют короткие периоды масштабных вымираний, когда значительные доли организмов, населяющих океаны, исчезали в результате катастрофических нарушений среды. За этими вымираниями относительно быстро (с геологической точки зрения) следовало развитие и распространение новых форм жизни. Границы между геологическими периодами тоже отмечены не такими радикальными, но все же серьезными переменами в составе морских организмов.

Долгое время не удавалось определить время этих событий. К концу XIX века над способами измерения геологического времени уже работали ученые всех специальностей. Физики хотели узнать возраст Земли; геологи — возраст отдельных горных пород и продолжительность различных участков временной шкалы. Предлагались самые разные оригинальные подходы, однако большинство из них опирались на сомнительные исходные предположения, и все они приводили к колоссальным неопределенностям. Самые радикальные оценки для возраста Земли лежали в диапазоне от нескольких десятков миллионов лет до, возможно, 100 миллионов лет. Просто не существовало надежного способа понять, какой промежуток времени представляют докембрийские породы, или узнать что-нибудь о скорости эволюции.

Все изменилось с открытием радиоактивности в 1896 году. Как только обнаружилось, что радиоактивные изотопы распадаются с постоянной скоростью, стало очевидно, что это явление можно использовать для геологического датирования. Первым этим занялся один из пионеров исследований радиоактивности физик-экспериментатор Эрнест Резерфорд. Он попросил коллег-геологов передать ему породы, которые они считали очень старыми. По радиоактивным изотопам в этих образцах он установил, что им примерно 500 миллионов лет. Этот поразительный результат потряс научный мир: ведь если результат Резерфорда был верен, то Земле больше 500 миллионов лет, то есть она гораздо старше, чем принято было думать.

По сегодняшним меркам эксперименты Резерфорда были грубыми. С тех пор геохронология — наука о датировании горных пород — добилась больших успехов. Принцип остался тем же самым: мы основываемся на факте, что радиоактивные изотопы распадаются с постоянной скоростью. Однако современные аналитические инструменты способны производить очень точные измерения с очень небольшим количеством материалов, и даты, полученные в результате, тоже очень точны. Все данные о границах на рисунке 1 основаны на радиоизотопном датировании (как обычно называют этот метод), и этот же метод показал, что возраст нашей планеты — от 4,5 до 4,6 миллиарда лет[10]. Время — настолько важная часть расшифровки прошлого, что стоит потратить несколько страниц, чтобы понять, как работает радиоизотопное датирование (иначе — радиометрическое датирование).

Прежде всего нужно сказать, что геологическое время — необъятный промежуток. Четыре с половиной миллиарда лет — срок, который человеку очень трудно осознать. В нашу эпоху миллионеров и дотаций в триллионы долларов само это число не кажется чем-то необычным, однако оказывается колоссальным, если вдуматься в эту цифру. Наш вид Homo sapiens существует примерно 200 000 лет (возможно, немного меньше) — весьма долгое время по большинству стандартов. Однако это мизерная часть возраста Земли — примерно сорок миллионных. Часто проводят аналогию: изображают историю земли в виде воображаемого трехчасового фильма. Три часа для фильма — очень много, однако даже в этом случае Homo sapiens появляется только в последние полсекунды.

Одно из следствий огромного масштаба геологического времени — то, что многие геологические процессы, протекающие с ничтожной скоростью, могут вызвать колоссальные изменения. Как мы увидим далее, литосферные плиты двигаются со скоростью всего несколько сантиметров в год; однако умножьте эту величину на сотни миллионов лет — и окажется, что так могут открываться и закрываться целые океанические бассейны. Целые горные хребты за это время могут подняться, а затем снова исчезнуть в результате эрозии.

Однако вернемся к деталям методов датирования, которые применяют для измерения гигантских промежутков времени: к счастью, в периодической таблице есть много элементов с природными радиоактивными изотопами, и множество природных материалов содержат один или несколько этих изотопов в том или ином количестве. Это значит, что в принципе при разумном отборе образцов датировать можно практически всё. Однако каждая из разработанных учеными процедур датирования имеет определенные ограничения. Например, радиоуглеродное датирование (вероятно, наиболее известный из геохронологических методов) можно использовать только для датировки органического материала, который был частью живого растения или животного, причем материал должен быть моложе 50 тысяч лет. Ограничение вызвано тем, что метод основан на радиоактивном распаде радиоуглерода (углерода-14), который распадается очень быстро. (Число в названии изотопа означает общее количество протонов и нейтронов в ядре атома — в случае углерода-14 в ядре 6 протонов и 8 нейтронов. В научной литературе оно обычно указывается индексом сверху, то есть 14С, однако я буду использовать более длинное, но более удобное для чтения название углерод-14).

Чаще всего методы радиоизотопного датирования, применяемые для горных пород, задействуют изотопы относительно распространенных и известных элементов, например, калия и урана, однако используются также и некоторые более экзотические элементы — например, рубидий, рений и самарий. У каждого из методов есть свои достоинства и недостатки, и выбор самого полезного метода диктуется обстоятельствами — например, геологическими условиями нахождения образца. Самый частый метод для древних пород, с которым мы будем регулярно сталкиваться в этой книге, основан на цепочках распада урана, заканчивающихся изотопами свинца. Одна из причин распространенности уран-свинцового метода датирования — тот факт, что во многих горных породах содержится минерал циркон, который одновременно и достаточно богат ураном, и стоек к изменениям, к тому же его легко извлечь для анализа.

Как можно догадаться по названию, циркон содержит цирконий, а из его химической формулы ZrSiO_4 видно, что другими его основными компонентами являются кремний и кислород. Уран присутствует только в следовых количествах, но его концентрация все же гораздо выше, чем в большинстве других минералов, потому что атомы урана легко занимают место циркония в структуре этого вещества. Циркон — твердый и плотный минерал, обычно красноватого цвета; его мелкие зерна повсеместно встречаются в магматических породах. Более редкие крупные кристаллы иногда продают в качестве полудрагоценных камней, однако для геологов настоящая ценность циркона заключается в пользе для датирования. Он настолько устойчив к изменениям, что даже в тех случаях, когда горные породы погружаются вглубь Земли, нагреваются и подвергаются метаморфизму, кристаллы циркона нередко остаются целыми, сохраняя при этом возраст исходной породы. Когда на поверхности планеты породы наподобие гранитов подвергаются выветриванию, многие содержащиеся в них минералы растворяются или превращаются в глину, однако кристаллы циркона выживают. Поэтому песок на пляже неизменно содержит зерна этого минерала.

Наряду с уран-свинцовым методом мы встретимся с другим широко применяемым способом радиоизотопного датирования, который использует распад калия до одного из изотопов аргона. Минерала, который был бы эквивалентен циркону, у калия нет, однако это относительно распространенный на планете элемент, и для датирования можно использовать многие обычные минералы — например, некоторые разновидности слюды и полевого шпата. По различным техническим причинам метод калий-аргонового датирования полезен для более молодых частей геологической летописи.

С помощью уран-свинцового и калий-аргонового методов было получено большинство дат на современной геологической шкале. В тех случаях, когда были доступны подходящие образцы, оба метода применяли одновременно: перекрестная проверка независимыми методами гарантирует точность результатов. Однако нужно как-то справиться с проблемой, касающейся показанных на рисунке 1 возрастов: существуют значительные трудности при применении уран-свинцового и калий-аргонового методов к осадочным породам, но — как мы видели ранее — основой для геохронологической шкалы являются окаменелости, а их находят как раз в осадочных породах. Как же тогда получили соответствующий возраст?

Решение становится яснее, если мы рассмотрим образование осадочных пород. Многие минеральные зерна, из которых они состоят, некогда были частью других пород на материках; но из-за эрозии они покинули родительские породы, попали в море, а затем осели на дно. Поэтому датирование этих минералов позволит определить возраст материнских пород, а не самих осадочных пород. Кроме того, минералы в осадочных породах, которые осаждаются непосредственно из морской воды (и поэтому подходят для определения их возраста) не содержат того количества урана, калия или других радиоактивных изотопов, которое нужно, чтобы достоверно определить возраст. В эту категорию попадает карбонат кальция — широко распространенный компонент океанических отложений. Это один из случаев, когда мать-природа оказалась не особенно благосклонна к геологам.

Очевидно, что с проблемой как-то удалось справиться: ведь точные радиометрические данные существуют для множества осадочных пород. Каким же образом? Дело в том, что Земля — очень активная планета с вулканами, которые почти непрерывно извергают вулканический пепел. Именно это происходило в начале 2010 года, когда облако пепла от вулкана Эйяфьядлайёкюдль в Исландии закрыло воздушное сообщение в Европе. Извержение Эйяфьядлайёкюдля по мировым стандартам было слабым, однако оно показало, как пепел от вулкана может разлететься по целому региону. В результате самых крупных извержений пепел распространяется по всему миру, а когда оседает на морское дно, то образует легко опознаваемые слои. Такие слои пепла — маркеры почти мгновенных (с геологической точки зрения) событий, а поэтому они оказываются идеальными кандидатами на датирование. К счастью, они часто содержат кристаллы циркона или минералы, пригодные для использования калий-аргонового метода.

Слои вулканического пепла настолько многочисленны, что сегодня являются самым важным материалом для датирования осадочных пород. Самые мощные вулканы, которые дают больше всего пепла, появляются в основном на окраинах океанских бассейнов в результате тектонических процессов. Вспомните вулканы Индонезии или Анд. Даже если отдельные вулканы извергаются лишь время от времени, накапливающиеся в соответствующих регионах осадки пронизаны слоями пепла. Если важно знать возраст конкретного уровня в толще осадков (например, уровня, который означает какую-то геологическую границу), а подходящего слоя пепла в идеально подходящем положении нет, обычно можно провести интерполяцию между близко расположенными слоями.

В качестве примера можно привести последовательность пластов известняка в южном Китае, которая проходит через границу между пермским и триасовым периодом. Окаменелости показывают, что эта граница, которая одновременно разделяет палеозойскую и мезозойскую эру (рисунок 1), отмечает самое массовое вымирание в истории Земли, когда внезапно исчезло более 90 % видов, живших в океанах. Точная датировка такого события крайне важна, однако известняки нельзя датировать напрямую. К счастью, они расположены в районе с высокой вулканической активностью и содержат многочисленные слои пепла. В 1990-х годах группа геохронологов из Массачусетского технологического института (MIT) взяла образцы пепла выше и ниже нужной границы, тщательно выбрала содержащиеся в них кристаллики циркона и измерила возраст циркона с помощью уран-свинцового метода. Результаты показаны на рисунке 2 и говорят о том, что фрагмент отложений толщиной в несколько метров, перекрывающий границу, образовался всего лишь за два миллиона лет. Даты слоев пепла также позволяют точно определить возраст границы — 251,4 миллиона лет. Возможно, не менее важно и то, что с помощью датирования близко расположенных слоев пепла исследователи смогли сделать вывод, что это массовое вымирание происходило в течение короткого промежутка времени — менее миллиона лет.

Я еще ничего не сказал о докембрийской части временной шкалы. Радиоизотопное датирование раскрыло ее истинные масштабы: ученые, создававшие ранние версии шкалы времени по окаменелостям, поразились бы, узнав, что эта часть составляет более 85 % истории планеты. Из-за отсутствия окаменелостей породы докембрия можно поместить в шкалу только с помощью прямого радиоизотопного датирования. На рисунке 1 показано всего несколько основных подразделов этой части шкалы — катархей, архей и протерозой. Границы между этими подразделами частично произвольны, а частично основаны на признанных событиях, которые повлияли на Землю в глобальном масштабе. Несмотря на древность докембрийских пород, они представляют целый гобелен с обширными и временами удивительными сведениями, и в последующих главах мы это увидим. Они показывают мир, который на протяжении миллиардов лет отличался от мира, который известен нам сегодня.

Рисунок 2. Осадочные слои на пермско-триасовой (П-Т) границе в южном Китае. Преобладающий тип горных пород здесь — известняк; слои пепла показаны серыми полосками. Возраст слоев пепла, основанный на уран-свинцовом методе датирования кристаллов циркона, указан в миллионах лет. Слой пепла, расположенный непосредственно ниже официальной П-Т границы, дает ее возраст. Показано расположение пермских (p) и триасовых (t) окаменелостей. Обратите внимание, что непосредственно над П-Т границей есть небольшой интервал со смешанными окаменелостями. Это обычная особенность осадочных пород: роющие организмы и течения перемешивают отложения. Показанная колонка представляет чуть более 18 метров слоев пород. (На основе данных Bowring et al. 1998).

Это краткое введение призвано дать обзор того, каким образом геологи используют различные виды информации, хранящейся в горных породах, чтобы расшифровать события из прошлого нашей планеты и определить их хронологию. Эта работа продолжается, и новые открытия постоянно меняют различные аспекты истории. В последнее время акцент делается на изучении времен и событий в прошлом, которые имеют отношение к тому, что может происходить в будущем. Это особенно важно для понимания проблем, которые повлияют на ближайшее будущее человеческого общества — например, глобального потепления. Но прежде чем обратиться к таким проблемам, в следующей главе мы вернемся в самое начало — на 4,5 миллиарда лет назад — чтобы изучить происхождение планеты и самые первые дни её жизни. На Земле не осталось пород тех времен: их разрушили геологические процессы. Однако у нас есть камни из космоса. Как и земным камням, им есть что рассказать.

Глава 2

Создание нашей планеты

В 1969 году — том самом, когда астрологи предсказывали большое землетрясение в Калифорнии — на другом краю света разворачивались события, которые привлекли внимание геологов, и их последствия оказались весьма значимыми. Японские ученые, работавшие в Антарктиде, наткнулись на небольшие темные камни, рассеянные по поверхности льда. В этом не было ничего необычного — за исключением того, что регион покрыт снегом и льдом, и никакого местного источника камней попросту не имелось. Как выяснилось, источник оказался не местным — камни были метеоритами и прилетели из космоса.

Но возникла новая загадка. Давно известно, что на планету падает много внеземных материалов — большинство оценок дает величину примерно в сто тонн в день. Однако в основном это крошечные частицы, которые сгорают в атмосфере (такие падающие звезды мы видим в ночном небе), и только очень небольшая часть попадает на Землю в виде заметных метеоритов. Две трети нашей планеты покрыто океанами, и большинство метеоритов попадает в море и там остается. Очень мало людей наблюдало падение метеорита, и вы наверняка не видели их лежащими у себя в саду или в местном парке. Поэтому многочисленные метеориты на антарктическом льду вроде бы не поддавались объяснению. Что же такого особенного в южном континенте, что он собрал больше метеоритов, чем есть где бы то ни было еще?

Как нередко бывает с первоначально загадочными явлениями, нашлось вполне рациональное объяснение. Вскоре оказалось, что помог следующий процесс: метеориты падали в Антарктиде десятки тысяч лет, постепенно накапливались, а затем попадали в небольшие области, известные как области «голубого льда». В одной из этих областей работали японские ученые. Голубой лед возникает в тех местах, где толстые ледники, медленно стекающие с внутренней части континента, натыкаются на какой-то скрытый топографический барьер, например, горный хребет, и их выталкивает вверх. Когда слой льды достигают поверхности, постоянные сильные ветры и сухой воздух Антарктиды разрушают и уносят его, а принесенные ледником метеориты остаются лежать на поверхности. Это похоже на случаи отложения камней и гальки в пустынях, когда ветры сдувают мелкие песчинки, оставляя более тяжелый грубый материал. Подобно гигантской конвейерной ленте, антарктический лед переносит метеориты, выпавшие за тысячи лет, в несколько небольших участков, где лед просто исчезает, а космические камни остаются. После 1969 года в области голубого льда регулярно летом устраивают экспедиции для сбора метеоритов. Ученые всего мира приезжают на континент для таких поисков. Всего за несколько десятилетий найдены десятки тысяч новых образцов, что многократно увеличило запасы в мировых коллекциях.

В чем причина такого интереса к метеоритам? В том, скажут вам многие геологи, что они представляют собой ключи к пониманию того, как сформировалась Земля и Солнечная система. На первый взгляд метеориты не особо отличаются от большинства земных пород. Однако детальное их исследование показывает, что отличия очень велики, и в этом обнаруживается ключ к разгадке их возраста и происхождения. Некоторые древние культуры почитали метеориты, поскольку верили, что те были присланы богами; сегодня их почитают ученые, поскольку эти породы приносят информацию о самых первых эпохах истории Солнечной системы. Почти все метеориты, датированные с помощью радиоизотопных методов, описанных в предыдущей главе, имеют возраст, близкий к 4,5 миллиардам лет, что значительно старше самых старых земных пород. Самый распространенный вид метеоритов — «хондриты» — содержит намеки на те типы материалов, которые пошли на строительство нашей планеты. Действительно, минеральные комплексы в некоторых хондритах, вероятно, во многом представляют состав пород, образовавших Землю.

Хондриты — лишь один из типов метеоритов; все они древние, у каждого есть собственная история, и каждый содержит сведения о том, как создавалась и развивалась наша планета. Например, железные метеориты состоят из твердого железа, которое всегда содержит примесь никеля. Это указывает на то, что такие метеориты — аналоги металлических ядер, находящихся в центре планет (о железном ядре Земли мы поговорим далее в этой главе). Если у вас есть возможность посетить Американский музей естественной истории в Нью-Йорке[11], вы можете прикоснуться к фрагменту одного из таких железных метеоритов, который, вероятно, некогда был частью ядра небольшого астероида. При возрасте в 4,5 миллиарда лет он, несомненно, окажется самым старым предметом, к которому вы когда-либо прикасались. Этот массивный кусок железа массой примерно 34 тонны взят от одного из самых крупных известных метеоритов — метеорита Мыс Йорк, названного (как и все метеориты[12]) по месту находки — в нашем случае по названию мыса Йорк на северо-западе Гренландии. Он был «открыт» в 1894 году американским исследователем Робертом Пири (инуиты знали его уже много веков и использовали в качестве источника железа). Датирование показывает, что метеорит Мыс Йорк упал на Землю примерно 10 тысяч лет назад, распавшись при пролете через атмосферу на множество частей. Образец в Музее естественной истории — самый крупный из многочисленных фрагментов этого тела, выставленных в музеях мира.

В отличие от железных метеоритов, хондриты состоят из месива минеральных зерен, многие из которых встречаются и в земных породах, но кроме них включают никелистое железо, которого в земных породах нет, а также мелкие похожие на мрамор сферические зерна, называющиеся «хондрами»[13] (отсюда и название этого типа метеоритов). Хаотическая текстура хондритов указывает на то, что они образовывались случайным образом из различных компонентов. Их текстура также свидетельствует об очень важном признаке: они никогда не плавились целиком. Более того, отдельные минеральные зерна в хондритах имеют самый древний возраст, когда-либо измеренный с помощью радиоизотопного датирования: они датируются первыми днями существования Солнечной системы. Благодаря этим двум свойствам изучающие их геохимики пришли к выводу, что хондриты приносят нам то, чего мы не можем найти на Земле или в других разновидностях метеоритов: образец того исходного материала, из которого образовались Земля и соседние планеты. Похоже, это неизмененные образцы твердой материи, которая летала в Солнечной системе в момент рождения Земли; есть веские доказательства, что их источник — небольшие астероиды, которые никогда не становились достаточно крупными, а потому не нагревались и не плавились.

Примитивная природа хондритов сделала их основным источником информации об общем химическом составе Земли. Вы можете спросить, почему ключевую роль играют такие редкие камни, когда прямо под ногами у нас вся планета — бери и анализируй. Вы можете также спросить, зачем вообще знать общий состав Земли. Вкратце ответ таков: если мы хотим понять, как Земля дошла до нынешнего своего состояния, нам нужно кое-что знать о ее первоначальном общем составе. Его нелегко установить, когда наш доступ к породам осуществляется только через тонкую внешнюю оболочку планеты, которая сильно отличается от недоступной внутренней части. Однако, используя информацию от хондритов как своего рода проверку в реальных условиях, объединяя данные прямых измерений поверхностных пород и сведения о внутренности планеты, полученные с помощью дистанционного зондирования, геохимики смогли разработать модели для общего состава Земли, которые можно подтвердить независимыми свидетельствами — например, данными о плотности нашей планеты.

Важная при изложении таких моделей идея — то, что состав Земли и других планет земной группы (это внутренние планеты Солнечной системы — Меркурий, Венера, Земля, Марс) зависит от пропорций основных минералов, найденных в хондритах. Яркий пример — железо: хорошо известные различия в плотности планет земной группы можно практически полностью объяснить различным содержанием железа в них. В хондритах много зерен железа, однако их количество в разных хондритах отличается. Согласно таким моделям, Земля намного тяжелее Марса, потому что ее хондритоподобные строительные блоки содержали больше железа. Точно так же и другие различия между внутренними планетами можно понять, если оперировать различными количествами компонентов хондритов. Несомненно, это чересчур упрощенное описание того, что происходило в реальности, однако это не отменяет важности хондритов как хорошей отправной точки для понимания состава Земли и других планет. Разные планеты в итоге включали разное количество тех или иных составляющих этих метеоритов.

Но даже если метеориты дают хорошее представление о химическом составе Земли, они мало что говорят нам о процессе формирования планет. Что заставило сформироваться нашу планету 4,5 миллиарда лет назад? Кое-что можно узнать по метеоритам, однако большая часть сведений исходит из других источников, особенно из астрономических теорий и наблюдений.

В 1990 году НАСА запустило ныне знаменитый космический телескоп «Хаббл». Несмотря на то, что поначалу обнаружились проблемы с оптикой, с ними в конце концов справились, и с тех пор аппарат отправлял четкие потрясающие фотографии других далеких миров. Среди самых захватывающих объектов — исполинские облака в местах, которые мы привыкли считать «космической пустотой». Эти облака были хорошо известны астрономам и до запуска «Хаббла», однако снимки космического телескопа особенно красивы. На них видны огромные, неправильные, клочковатые, хаотичные, а иногда даже грозные на вид облака из газа и пыли. Оказывается, в этих повергающих наблюдателя в трепет областях зарождаются новые звезды и планеты.

С помощью телескопов, подобных «Хабблу», астрономы смогли непосредственно наблюдать за образованием звезд в межзвездных облаках. Другие астрономические наблюдения показывают, что у многих звезд есть обращающиеся вокруг планеты. (Эти наблюдения трудны, и до сих пор астрономы находили планеты гораздо крупнее Земли. Тем не менее, с 1995 года уже обнаружены сотни экзопланет, и большинство ученых полагает, что обнаружение маленьких землеподобных планет у других звезд — всего лишь вопрос времени и совершенствования технологий). Таким образом, имеющиеся факты заставляют предположить, что системы, подобные Солнечной, вполне обычны, и что материал, из которого состоят Солнце и планеты, когда-то был частью межзвездного газопылевого облака, похожего на те, что наблюдает «Хаббл». Прямые наблюдения показывают, что основными компонентами этих облаков являются водород (самый распространенный элемент во Вселенной) и гелий. Однако они включают и другие вещества — в частности, множество твердых «пылевых» частиц: микроскопические кристаллики замерзших соединений, содержащих водород (например, метана, аммиака и обычной воды); крохотные частички глины; зерна некоторых других минералов, имеющихся и на Земле.

Но каким образом это гигантское облако превращается в звезды и планеты? Прежде всего следует заметить, что межзвездные облака неоднородны: они хаотичны, и в одних областях содержится больше материи, чем в других. Эти плотные области — сами по себе или из-за какого-то внешнего фактора — начинают притягивать к себе материал из других мест. Как только процесс гравитационного притяжения начался, он делается самоподдерживающимся: чем плотнее становится центральная область, тем сильнее притяжение. Вскоре какая-то часть рассеянного облака превращается в очень плотное и очень горячее центральное тело — будущую звезду, вокруг которой вращается диск из оставшегося более холодного вещества — материала для формирования планет. Межзвездные облака так велики, что даже из одной их части может образоваться сразу несколько звездных систем.

Данные, полученные из некоторых метеоритов, позволяют предположить, что спусковым крючком для гравитационного коллапса, который привел к формированию нашей Солнечной системы, была вспышка недалекой сверхновой. Сверхновые — это взрывающиеся звезды, и, хотя астрономы выделяют несколько их типов, все они гораздо крупнее Солнца. Когда у массивной звезды заканчивается топливо в ядре, происходит катастрофа: центральная область нагревается до такой высокой температуры и сжимается до такого высокого давления, что в результате термоядерной реакции происходит гигантский взрыв, который буквально разрывает звезду на части и выбрасывает ее внешние слои в космос. Этот взрыв также порождает гигантские ударные волны, распространяющиеся наружу: они могут сжимать достаточно плотные части межзвездного облака и запускать процесс формирования звезд и планет.

По оценкам астрономов, во Вселенной примерно каждую секунду происходит взрыв сверхновой. Даже если вы читаете достаточно быстро, с момента, как вы начали читать этот абзац, во Вселенной взорвалось примерно полдюжины сверхновых. Однако Вселенная обширна, и даже при таком их количестве взрывы сверхновых в окрестностях Солнечной системы относительно редки. Последний случай, когда взрыв был виден невооруженным взглядом (но при этом происходил все равно очень далеко), произошел в 1604 году. Когда сверхновые появляются, они внезапно загораются на небе, словно новые звезды, затем ярко светятся несколько недель или месяцев, а после постепенно исчезают. Китайские астрономы фиксировали появление сверхновых почти две тысячи лет назад (хотя они и не представляли, что это такое).

Всплеск энергии, сопровождающий взрыв сверхновой, запускает ядерные реакции, которые создают множество радиоактивных изотопов. Они, как и другое вещество взорвавшейся звезды, выбрасываются в космос. Физики-ядерщики детально рассчитали, какие изотопы и в каких количествах производятся при таких взрывах. Примечательно, что минеральные зерна в некоторых хондритах содержат следы этих изотопов. Эти зерна, которые (как указывают другие факты) сформировались в диске вокруг зарождающегося Солнца, очевидно, по мере своего роста захватили материал сверхновой. Некоторые радиоактивные изотопы, которые они содержат, распадаются так быстро, что их бы не наблюдалось (они бы полностью распались), если бы между взрывом и образованием минералов прошло больше нескольких миллионов лет. Метеориты говорят, что недалекий взрыв сверхновой выбросил свои продукты в газопылевое облако незадолго до того, как начала формироваться Солнечная система. Возможно (и даже вероятно), что ударная волна от этого взрыва стала спусковым механизмом для гравитационного коллапса, который быстро привел к образованию нашего Солнца, хондритов, планет и в конечном итоге нас самих.

Компьютерное моделирование показывает, что как только в какой-то части межзвездного облака начинается коллапс, то стремительно формируется плоский вращающийся диск материи с протозвездой (в нашем случае с протосолнцем) в центре. Когда материя, окружающая протозвезду, начинает сжиматься в диск, она нагревается до высоких температур — настолько высоких, что из межзвездного облака испаряются все или почти все пылевые частицы. Наблюдения подтверждают эти теоретические выкладки: астрономы обнаружили диски из газа и твердых частиц, окружающих формирующиеся звезды, а исследования хондритов показывают, что многие их минеральные составляющие выпали в осадок из горячего вещества диска при его охлаждении. В метеоритах удавалось обнаружить лишь незначительное количество неизмененных пылевых частиц, оставшихся от межзвездного облака.

Имеются некоторые наблюдения, которые помогают нам разобраться в процессах, превративших протосолнце и окружающий его горячий диск в современную Солнечную систему; однако большей частью мы вынуждены полагаться на компьютерное моделирование. Далее идет очень краткое описание того, как ученые представляют себе этот процесс. Сначала (это один из самых надежных фактов во всей истории) протосолнце поглотило почти всю окружающую материю и стало в достаточной степени плотным и горячим, чтобы внутри него пошли реакции ядерного синтеза. Это было настоящее рождение нашего Солнца: реакция превращения водорода (преобладающего элемента в химическом составе Солнца) в гелий была и остается основным источником его энергии. Солнце содержит 99,9 % всего вещества в Солнечной системе, однако оставшегося материала хватило, чтобы появились все остальные ее обитатели — планеты, их спутники, астероиды и кометы.

Когда диск вокруг юного Солнца остыл, из газов начали выпадать минеральные зерна, а по мере увеличения их количества они стали сталкиваться друг с другом, двигаясь по своим орбитам вокруг Солнца. Компьютерное моделирование показывает, что при столкновении мелкие зерна обычно слипаются, а потому средний размер объектов в диске быстро увеличивался. Вскоре большая часть мелких зерен превратилась в камни — вероятно, размером от кулака до валуна. Однако путь от валунов до планеты размером с Землю непрост: сталкивающиеся валуны будут скорее разваливаться, чем слипаться, а оставшийся в диске газ создает сопротивление, которой замедляет движение этих тел по орбитам и заставляет их приближаться по спирали к Солнцу — в итоге они станут не планетами, а частью звезды. Недавние исследования предполагают, что важную роль в соединении камней в более крупные тела сыграла турбулентность в диске: кружащиеся тела размером с валун соединялись в кластеры без сильных столкновений. Когда такие кластеры становятся достаточно большими, гравитация объединяет их в «планетезимали» — слабо связанные тела, являющиеся предшественниками планет; их размер, возможно, составлял несколько сотен километров в поперечнике.

По современным оценкам, переход от газопылевого облака к первобытному Солнцу, окруженному планетезималями, занял примерно 10 миллионов лет. По мере того как планетезимали продолжали расти, собирая все больше материи из окружающего пространства, самые крупные из них обгоняли соседей и забирали себе все вокруг. Постоянный дождь из камешков, валунов и планетезималей, падающих на поверхность растущих планет, быстро нагревал их, и внешние части некоторых из них могли полностью расплавиться.

В этом хаотичном жестком процессе быстро росла и Земля, впоследствии ставшая самой крупной из внутренних планет. Она тоже нагревалась, поскольку падающие тела передавали ей свою энергию. Наша планета стала настолько горячей, что железо в накопленном материале (вспомните, что хондриты содержат массу зерен железа) начало плавиться. Будучи очень плотным, жидкий металл стал погружаться и образовал ядро Земли. Существует масса геохимических данных (они слишком обширны, чтобы излагать здесь подробно, и многие из них были получены за последние несколько десятилетий), которые подтверждают, что металлическое ядро сформировалось на самой ранней стадии жизни Земли, когда планета еще росла. Сегодня, спустя 4,5 миллиарда лет, железное ядро все еще частично расплавлено — это пережиток того первого высокотемпературного отрезка времени. Аналогичным образом железное ядро появилось и у других планет земной группы, а также у планетезималей, которые стали астероидами, а не планетами. Железные метеориты вроде Мыса Йорк — это, вероятно, фрагменты таких ядер, полетевших к Земле после того, как их родительские астероиды столкнулись с другими. Эти железные метеориты рассказывают нам, на что похоже ядро нашей собственной планеты.

Но когда Земля уже почти достигла нынешнего размера и образовала железное ядро, в ее формировании была написана еще одна важная глава. Удивительно, но узнать об этом событии мы смогли, задавая вопросы о Луне, а именно: почему плотность нашей соседки так сильно отличается от плотности Земли? И если Луна — всего лишь блуждающая планетезималь, захваченная Землей (эта теория появления Луны была некогда популярной), то почему анализ горных пород, привезенных с Луны астронавтами «Аполлона», показывает, что наш спутник имеет близкое геохимическое сходство с Землей? На эти и другие вопросы о происхождении нашего спутника ответила гипотеза ударного формирования Луны. Впервые она появилась в 1970-е годы, когда опубликовали данные анализа лунных пород, но с тех пор ее уточняли и подтверждали новыми фактами.

В основе ударной модели лежит предположение, что к концу формирования планет в Солнечной системе в Землю врезалось крупное тело размером примерно с Марс. Это столкновение выбросило в космос материал, который от энергии удара частично перешел в газообразное состояние, но в итоге охладился и образовал Луну. Эта гипотетическая ударившая планета получила название Тейя — в честь древнегреческого божества, матери Селены (богини Луны).

Гипотеза ударного формирования сейчас является наиболее правдоподобным объяснением возникновения нашего спутника. Данные изотопных исследований для земных и лунных пород показывают, что столкновение должно было произойти примерно через 40–60 миллионов лет после рождения Солнечной системы. К тому времени большая часть земного железа уже осела в ядре, и, скорее всего, тот же процесс произошел и в ударившем теле. По этой причине материал, вылетевший в космос, должен был состоять только из внешних, каменистых частей обоих тел: моделирование столкновения показывает, что плотное металлическое ядро Тейи могло пройти через внешнюю оболочку Земли и слиться с ядром нашей планеты. Такой сценарий полностью соответствует низкому содержанию железа на Луне и, как следствие, ее низкой плотности.

Образовавший Луну удар добавил больше вещества Земле, нежели выбил из нее, и это фактически завершило создание нашей планеты, приблизив ее к нынешнему размеру. Бомбардировка мелкими и крупными объектами продолжалась (как мы видели, сейчас на Землю ежедневно падает по сотне тонн внеземной материи), однако значительный рост массы прекратился. Как выглядела эта ранняя Земля? Мы не знаем, поскольку поверхностных горных пород того периода у нас нет. Однако некоторые намеки дают лунные породы.

Одним из первых сюрпризов для изучавших лунные породы оказался тот факт, что значительная часть внешней оболочки Луны была расплавлена еще на ранней стадии ее истории. Планетологи, развивавшие новую концепцию, назвали этот расплавленный внешний слой «магматическим океаном» (магма — это геологический термин для расплавленных пород). Прийти к выводу о существовании магматического океана на ранних стадиях жизни Луны можно только потому, что наша спутница геологически неактивна, а это означает, что на ней сохранились многие из первых образовавшихся пород. Работа с образцами, собранными во время миссий «Аполлонов», показывает, что горные районы — светлые пятна на поверхности Луны — являются остатками каменистой коры, некогда покрывавшей Луну и образовавшейся при охлаждении и кристаллизации океана магмы. После того как появилась концепция магматического океана, геологи задались вопросом: не происходило ли подобное и на Земле? В частности, сразу после удара, который привел к образованию Луны, наша планета могла быть достаточно горячей, чтобы поддерживать на поверхности океан магмы; однако надежных доказательств его существования пока не найдено.

Существовал магматический океан на нашей планете или нет, но процесс разделения (тот самый, который заставляет железо плавиться и опускаться к центру, выталкивая при этом наружу каменистый и относительно бедный железом материал) привел к образованию у нашей планеты тонкой внешней коры. Однако химический и минеральный состав этой коры сильно отличается от состава нижележащей материи. Вид Земли в разрезе (рисунок 3) показывает три химически разных слоя: ядро, мантия и кора. Формирование ядра и мантии, как описано выше, было достаточно простым и легким для понимания. А вот кора — совершенно другая история. Она составляет менее 1 % от объема Земли, а поскольку ее плотность ниже плотности других частей планеты, то на нее приходится еще меньшая доля массы. Если представить Землю как большое яблоко, то кора оказалась бы значительно тоньше кожуры. Однако несмотря на свой малый объем, именно кора чрезвычайно важна для нас, поскольку таит в себе все ресурсы, необходимые для человеческой цивилизации.

Рисунок 3. Внутреннее строение Земли. Металлическое ядро состоит в основном из железа, хотя оно содержит также и другие элементы — в частности, никель. Ядро медленно затвердевает изнутри: его внутренняя часть твердая, а внешняя жидкая. Далее идет мантия из каменистого материала, которая составляет большую часть нашей планеты. Кора образует тонкую пленку на поверхности Земли; она также состоит из различных каменистых пород, но у нее совершенно другой минеральный и химический состав.

Почему кора так отличается от подстилающей мантии? Это сложный вопрос, и ответ был найден только спустя десятилетия наблюдений и экспериментов. Простой, хотя и не вполне точный способ вообразить себе процесс образования коры — представить его как дистилляцию, когда берется большая партия исходного материала (мантия), а в конце получается небольшое количество концентрированного вещества (кора), которое включает только некоторые из исходных компонентов. Это происходит, когда минералы мантии плавятся, и менее плотная жидкая магма стремится к поверхности. Среди веществ, выделенных таким образом из мантии и перенесенных в кору, оказываются многие материалы, важные для современной жизни — например, алюминий и многие редкие металлы. Во время этого процесса извлекаются также вода и различные газы; это можно увидеть на примере вулканической пемзы: ее структура, напоминающая швейцарский сыр, представляет собой застывший отпечаток газов (в основном водяного пара и двуокиси углерода), которые были растворены в магме, но во время приближения жидкой породы к поверхности стали пузыриться. Таким образом, процессы, образовавшие кору, не только создали привычные породы на поверхности Земли, но и в значительной степени отвечают за наполнение водой ее океанов и появление газов в ее атмосфере.

В этой короткой главе мы проследили путь от межзвездного облака к нашей замечательной голубой планете с железным ядром, каменной мантией и корой[14], глубокими океанами и мощной атмосферой, — в той мере, в которой он нами изучен. В космических масштабах этот процесс длился недолго, и примерно 4,5 миллиарда лет назад Земля сформировалась полностью. С тех пор процессы развития планеты шли в различных направлениях, и с ними мы познакомимся в следующих главах. Также Земля продолжала притягивать всякий космический хлам, остававшийся на орбите вокруг Солнца после первоначального короткого промежутка формирования планеты. Как мы увидим в следующей главе, некоторые фрагменты этого хлама оказали на Землю в буквальном смысле глубокое влияние.

Глава 3

Близкие контакты

Нам на протяжении столетий было известно, что метеориты (некоторые из них весьма велики, как упомянутый в предыдущей главе Мыс Йорк) периодически падают на Землю из космоса, однако лишь относительно недавно специалисты по-настоящему оценили идею о том, что кратер от удара — это мощная геологическая сила, влияющая на физическое, химическое и биологическое развитие нашей планеты. Ранее большинство ученых, которые вообще задумывались об этой проблеме, осознавали, что в первые бурные дни существования Земли ее должен был бомбардировать космический мусор, однако полагали, что значимость этого процесса быстро снизилась. Даже когда телескопы все отчетливее демонстрировали картины Луны и Меркурия, покрытых оспинами кратеров, их привычные убеждения не спешили меняться: считалось, что большая часть кратеров — вулканические. Перемены в этом подходе стали появляться в преддверии программы «Аполлон», поскольку Луну стали изучать более тщательно, однако многие геологи по-прежнему не понимали всей важности столкновений метеоритов с Землей. Основной причиной тут была редкость земных кратеров, образовавшихся в результате ударов, и даже по этим редким примерам шли жаркие споры.

В конце XIX века один такой спор столкнул старейшину американских геологов и неуступчивого бизнесмена — и в итоге оказалось, что неправ оказался геолог. Бизнесмена звали Дэниел Барринджер: он сначала получил юридическое образование, а потом изучал геологию и минералогию, чтобы удовлетворить сразу и страсть к природе, и любовь к американскому Западу. Очевидно, в изучении геологии он преуспел, поскольку вскоре стал богатым владельцем нескольких успешных горнодобывающих предприятий. Однако Барринджер всегда искал новые возможности и насторожился, когда услышал от одного своего друга о кратероподобной впадине в западной Аризоне. По словам друга, многие местные жители полагали, что кратер появился в результате удара гигантского железного метеорита, поскольку внутри и вокруг кратера в изобилии находили мелкие железные частицы. Барринджер знал, что железные метеориты — это фактически чистое железо и никель, то есть они гораздо богаче этими элементами, чем любая земная руда. Если бы под кратером километрового размера оказался похоронен железный метеорит, он стоил бы кучу денег.

Проблема заключалась в том, что один из самых уважаемых ученых того времени, Гров Карл Гилберт, главный геолог Геологической службы США, уже исследовал кратер и объявил, что тот образовался в результате взрыва пара, а не удара метеорита. Как и Барринджер, Гилберт слышал о найденных поблизости железных фрагментах, и первоначально считал, что такой кратер мог образоваться при ударе. Однако проведенные во время экспедиции 1891 года испытания убедили его в обратном.

И Гилберт, и Барринджер (как и другие их современники) мало знали о физике сильных ударов, и эта нехватка знаний обоих сбила с толку, хотя и по-разному. Они ошибались, считая, что ударившее тело будет лежать под кратером — на самом деле оно большей частью испарилось при столкновении. Во время экспедиции 1891 года Гилберт провел измерения, чтобы обнаружить магнитный сигнал от крупного захороненного железного метеорита. Поскольку кратер был огромен, он ожидал, что сигнал окажется достаточно сильным. Однако магнитные эффекты отсутствовали, и геолог с уверенностью исключил гипотезу удара. Такой отрицательный результат вызвал у него определенные затруднения: пришлось изобретать какие-то специальные и довольно путаные объяснения для наличия метеоритного железа вокруг кратера (он решил, что это просто совпадение — остатки более раннего падения метеорита) и полного отсутствия вулканических пород, что вроде бы исключало вулканическое происхождение. В результате он выдвинул расплывчатое предположение, что некое скрытое «глубоко находящееся» вулканическое тепло привело к колоссальному взрыву пара, который и создал кратер.

Барринджер знал о выводах Гилберта, но больше него опирался на интуицию. Ему незачем было проводить эксперименты: по его словам, уже через несколько часов после посещения кратера он по внешнему виду понял, что тот образовался в результате удара. Итак, в начале 1900-х Барринджер с партнером создали компанию по добыче миллионов тонн железа, которое, по их мнению, находилось под землей. Первые исследования и бурение кернов не обнаружили никакого метеорита, однако показали, что местные породы раздробило сильным давлением и выбросило наружу в виде насыпного вала вокруг, что подтверждало ударную теорию. Не обращая внимания на первые неудачи, Барринджер удвоил усилия по привлечению финансирования для дальнейшей работы. В 1906 году он и его партнер опубликовали по статье в журнале Proceedings of the Academy of Natural Sciences of Philadelphia, в которых излагали результаты своих работ в кратере. Они пришли к однозначному выводу, что кратер имеет метеоритное происхождение.

В течение двух следующих десятилетий Барринджер всячески продвигал свои идеи и потратил большую часть своего состояния (и средства многих богатых инвесторов), пытаясь найти несуществующий закопавшийся в почву метеорит. Его партнер, разочарованный отсутствием результатов, в конце концов отказался от дальнейшей работы, однако Барринджер продолжал сражаться. Геологические данные, собранные им при изучении кратера, убедили многих участников научного сообщества в справедливости гипотезы метеоритного удара, но по какой-то причине Гилберт и его коллеги по Геологической службе США отказались участвовать в этом споре. Они никогда не комментировали публично это расхождение во взглядах, но крикливое меньшинство геологов все еще цеплялось за гипотезу о взрыве паров. По совершенно непонятной причине статья 1928 года в журнале National Geographic Magazine под названием «Таинственная гробница гигантского метеорита» приписывала ударную теорию Гилберту и, хотя подробно описывала попытки горно-исследовательских работ, вообще не упоминала Барринджера.

В том же 1928 году астроном Форест Молтон по запросу инвесторов горнодобывающей компании Барринджера провел детальный анализ кратера и пришел к выводу, что метеорит должен быть намного меньше, чем утверждал Барринджер, и что он, вероятно, по большей части испарился при столкновении с планетой. Эти выводы определили судьбу горнодобывающего предприятия: в сентябре 1929 года директора свернули его деятельность, хотя Барринджер отрицал мнение Молтона и яростно сопротивлялся. Через несколько месяцев он умер от сердечного приступа.

Несмотря на неудачу коммерческого предприятия, Барринджеру нужно отдать должное: он обнаружил первый кратер на планете, ударное происхождение которого было признано, и привлек к нему широкое внимание. В некотором смысле последнее слово осталось за ним: объект, который поглотил значительную часть его жизни, сейчас официально называется кратером Барринджера[15]. Он все еще принадлежит семье Барринджеров, и рядом с ним находится небольшой музей, посвященный метеоритам, столкновениям и истории самого кратера. Если вы окажетесь в Аризоне, и у вас будет немного свободного времени, его стоит посетить.

При взгляде с воздуха кратер Барринджера производит потрясающее впечатление (рисунок 4). Иногда пилоты пролетающих неподалеку самолетов ради него слегка отклоняются от маршрута и накреняют самолет, чтобы пассажирам было лучше видно. Замечательная сохранность кратера обусловлена его молодостью (ему всего 49 тысяч лет) и умеренной эрозией в сухом климате Аризоны. Исследователи кратера оценивают, что ударившее тело имело массу около 300 тысяч тонн и поперечник 50 метров, но примерно половина его вещества испарилась еще в атмосфере. Большая часть остатка испарилась при ударе. Размер кратера гораздо больше, чем размер упавшего тела — он был образован ударной волной, а не самим метеоритом.

Рисунок 4. Вид с воздуха на кратер Барринджера, Аризона. Диаметр кратера составляет примерно километр. (Фото Д. Родди; любезно предоставлено Геологической службой США).

Ироничный поворот истории: геолог, изучавший кратер Барринджера для своей диссертации 1960 года и окончательно развеявший немногие оставшиеся сомнения в его ударном происхождении, стал первым получателем премии Гилберта, которую с 1983 года вручает Геологическое общество Америки (справедливости ради следует сказать, что, хотя Гилберт и отрицал ударное происхождение кратера Барринджера, он считал, что большинство лунных кратеров образовались именно таким образом). Этим геологом был Юджин Шумейкер, который считается фактически единоличным основателем астрогеологии. Еще до работы с кратером Барринджера Шумейкер интересовался Луной и происхождением ее кратеров; он сыграл важную роль в подготовке к миссиям астронавтов «Аполлона»; американские телезрители познакомились с ним, когда он вместе с тележурналистом Уолтером Кронкайтом рассказывал в эфире программы CBS News о геологических аспектах прогулок по Луне.

Хотя с геологической точки зрения кратер Барринджера появился совсем недавно, это произошло задолго до начала документированной истории человечества, и поэтому у нас мало непосредственных сведений о его воздействии на окружающую среду помимо тех, что можно обнаружить на месте его падения. Но разрушительная мощь даже небольших космических тел известна по совсем недавней катастрофе — так называемому Тунгусскому феномену: в июне 1908 года в атмосферу влетел объект диаметром примерно 35 метров[16], который потом взорвался. Никаких образцов, которые можно было бы однозначно связать с объектом, не обнаружено, и поэтому его состав неизвестен (некоторые ученые считают, что это была небольшая ледяная комета). Не найдено и никакого кратера. Однако ударная волна полностью повалила густой сибирский лес на площади свыше 2000 квадратных километров (рисунок 5). К счастью, Тунгусский объект появился в ненаселенной местности. Если бы он взорвался над крупным городом, катастрофа бы затмила такие недавние трагедии, как ураган «Катрина», теракты 11 сентября или землетрясение на Гаити в 2010 году.

Здесь уместно сказать несколько слов о терминологии. По определению метеориты — это космические тела, которые достигают Земли; по этой причине я назвал то, что взорвалось над Тунгуской, «объектом», а не метеоритом. Тело, образовавшее кратер Барринджера, считается метеоритом, поскольку какие-то фрагменты исходного объекта прошли сквозь атмосферу. Небольшие частицы космического мусора, которые полностью сгорают в атмосфере (например, «падающие звезды»), называются метеорами, однако, вероятно, это не очень удачное название для крупного тела Тунгусского феномена. В дальнейшем я буду называть это тело «объектом» или «метеороидом». Метеороид — это не имеющее четкого определения тело умеренных размеров, которое двигается в межпланетном пространстве[17]. При столкновении с Землей оно может либо полностью сгореть в атмосфере (и тогда оно будет метеором), либо достичь поверхности планеты (и тогда упавшая часть станет называться метеоритом). Запутались? Ученые любят делить все на категории.

В любом случае, объект, который привел к взрыву над Тунгуской, был невелик по космическим масштабам, однако последствия катастрофы оказались весьма серьезными. Ударные волны в атмосфере засекли даже в Британии. Мелкая пыль от взрыва, рассеявшаяся в воздухе, отражала свет от Солнца (которое в северной Европе летом не опускается низко под горизонт) и, как сообщалось, позволяла в Лондоне читать газету на улице в полночь. Тунгусский взрыв — возможно, из-за удаленности и отсутствия подробной информации об этом явлении — породил массу диких теорий: это якобы была катастрофа инопланетного космического корабля, столкновение с блуждающей черной дырой, детонация «природной водородной бомбы» в ударившей комете или взрыв огромного количества природного газа, улетучившегося из недр Земли.

Рисунок 5. Место удара Тунгусского метеороида 1908 года в Сибири, сфотографированное во время экспедиции Академии наук СССР 1927 года под руководством минералога Леонида Кулика. Об эффектах удара свидетельствуют обгоревшие и поваленные деревья, хорошо заметные спустя двадцать лет после события.

Однако новости о взрыве поступали медленно. Лишь в 1927 году, почти через двадцать лет после события, на Тунгуске появилась научная экспедиция под руководством российского минералога Леонида Кулика[18]. (Как и Барринджер в Аризоне, Кулик полагал, что на месте падения можно найти металлическое железо, и использовал эту возможность, чтобы убедить правительство профинансировать его экспедицию). Ученым приходилось пробираться через сибирские леса и поздние сугробы, а суеверные местные проводники опасались посещать место падения. Но в конце концов экспедиция добралась до места и составила подробный обстоятельный отчет. Кроме исследования физических последствий взрыва, группа Кулика собрала свидетельства очевидцев: местные жители описывали пронесшийся по небу огненный шар, яркий, как Солнце, взрывы, которые сотрясали землю, порывы горячего ветра и дым от обгоревшей растительности. Некоторые говорили, что их сбило с ног. Одна деревушка неподалеку отреагировала вполне прагматично: она отправила делегацию к местному священнику, чтобы узнать, не является ли это невиданное событие признаком приближения конца света. И если да, спрашивали они, то как нужно к нему готовиться? Сведений об ответе священника нет.

Если даже маленький Тунгусский метеороид смог вызвать колоссальные разрушения, то столкновение с крупным телом оказалось бы катастрофическим. Хотя такие удары вряд ли означают конец света в обыденном понимании, по статистике это одно из самых опасных стихийных бедствий, поскольку оно может затронуть огромное количество людей. К счастью, астрономы, видимо, смогут обнаружить крупный астероид, приближающий к Земле, задолго до столкновения. Однако вопрос в том, что можно сделать дальше.

Как мы увидим позднее, на этот счет есть немало идей — одни более перспективные, другие менее. Но прежде чем рассматривать стратегии смягчения последствий, поучительно обратиться к земным породам, чтобы понять, как такие удары влияли на нашу планету в прошлом. Оказывается, геологическая летопись может многое сказать по этому поводу.

Университет Нью-Брансуика в Канаде создал список, куда входят 176 ударных структур на Земле. (Исследователи метеоритов называют их структурами, а не кратерами, поскольку некоторые из них, особенно старые, сильно разрушились и не походят на первозданный вид кратера Барринджера). Большая часть этих кратеров нанесена на карту, там взяты образцы, а в некоторых случаях проводилось бурение, чтобы получить сведения об их внутреннем строении. Чтобы определить, включать ли конкретный кратер в этот список, используются строгие критерии. Одной круглой формы мало. Ключевые свидетельства — признаки, появляющиеся в результате воздействия высоких давлений и температур, возникающих при ударе: например, раздробленные породы, иногда частично расплавленные; минералы, которые образуются только в результате прохождения ударных волн высокого давления; а также специфические особенности в окружающих породах, которые называются «конусами разрушения» — признаки расхождения ударных волн от места столкновения. Иногда факт удара подтверждают фрагменты метеорита, однако в большинстве случаев в кратерах практически не остается свидетельств падения тела, за исключением незначительных химических следов. Как и в случае кратера Барринджера, при столкновении объекты в основном испаряются.

Самый молодой в списке — небольшой кратер, который создал метеорит, упавший в России в 1947 году[19]. Тело распалось в атмосфере и упало на поверхность в виде отдельных фрагментов, один из которых образовал кратер диаметром примерно 25 и глубиной примерно 6 метров. Однако все действительно крупные структуры имеют очень большой возраст: самый старый из известных кратеров находится также в России, имеет диаметр 16 километров и возраст около 2,4 миллиарда лет[20]. Возраст двух очень больших структур в Канаде и Южной Африке составляет около 2 миллиардов лет[21]. Геологические процессы очень сильно их изменили, но первоначальный диаметр оценивается в диапазоне 280–320 километров. Более крупных структур не найдено, хотя в 2006 году специалисты, изучавшие гравитационное поле над Антарктидой, обнаружили большой округлый объект, который может быть ударным кратером[22]. Он находится под ледяным щитом, поэтому пока нельзя взять пробы и удостовериться в его происхождении. Но если причиной его появления окажется столкновение, то эта структура станет крупнейшей на планете — его диаметра в 500 километров хватит, чтобы полностью накрыть такие штаты, как Мичиган или Огайо.

Эти крупные и очень редкие напоминания о древних столкновениях с космическими телами мало известны за пределами геологического сообщества. Однако существует столкновение, которое привлекает гораздо больше внимания: то, которое «убило динозавров». Эта идея появилась в 1980 году, и сочетание катастрофического, похожего на научную фантастику столкновения и исчезновения крупнейших рептилий мира гарантировало широкий общественный интерес. Историю о том, как обнаружили доказательство ударной теории, рассказывали много раз, и я не стану повторять ее здесь; скажу лишь, что этот вывод надежно базируется на том факте, что по всему миру в осадочных породах обнаружен слой редкого металла иридия, который отмечает границу между мезозойской и кайнозойской эрами. Эта граница соответствует одному из крупнейших массовых вымираний на Земле, когда исчезли не только динозавры, но и многие другие растения и животные. Ее обычно называют мел-палеогеновой границей, поскольку она разделяет меловой и палеогеновый периоды. В общем, запомните, что она знаменует конец мелового периода.

Обнаружение слоя, богатого иридием, быстро привело к гипотезе удара, поскольку этого металла мало в земной коре, зато много в метеоритах, и единственное разумное объяснение его высокого содержания в породах мел-палеогеновой границы — то, что его источником был внеземной объект. Как указали первооткрыватели — группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли во главе с геологом Уолтером Альваресом и его отцом, лауреатом Нобелевской премии по физике Луисом Альваресом — иридий из крупного испарившегося астероида был выброшен в атмосферу и разлетелся по всему миру. Ученые из Беркли утверждали, что одновременность удара и массового вымирания не может быть простым совпадением, и столкновение с астероидом стало причиной исчезновения видов.

По количеству иридия на мел-палеогеновой границе группа Альвареса рассчитала размер упавшего тела, оценив его в 10–11 километров, и последующие работы не сильно затронули эту оценку. Серьезным возражением против теории был тот факт, что ни один из известных кратеров на Земле не имел подходящего возраста — а ведь упавший астероид такого размера обязательно оставил бы большой след. В течение десяти лет ситуация оставалась без решения, но огромный вал междисциплинарных исследований, стимулированных ударной гипотезой, привел к бесспорному доказательству — кратеру диаметром примерно 180 километров на полуострове Юкатан в Мексике. Несмотря на размеры, на него не обращали внимания, поскольку он погребен под 600-метровым слоем осадочных пород. На поверхности нет никаких признаков того, что внизу находится кратер.

На самом деле кратер не был совсем упущен из виду. Его обнаружили в конце 1940-х мексиканские геологи-нефтяники с помощью метода дистанционного зондирования, когда строили карты недр; однако тогда решили, что это вулканический кратер. В последующие десятилетия о нем не знали даже геологи. Однако после того как группа Альвареса предложила свою теорию столкновения, ученые начали перепроверять породы мел-палеогеновой границы в поисках подтверждения или опровержения и быстро обнаружили, что осадочные породы из Карибского региона содержат более явные призраки удара, чем в других точках мира, включая слои раздробленных пород, предположительно выброшенных из кратера, и многочисленные стеклянные шарики, выглядящие как застывшие капельки расплава, образовавшегося при ударе. Другие отложения в регионе показывали признаки разрушения гигантскими волнами — вероятно, цунами, вызванными ударом. В областях, удаленных от Карибского бассейна, признаки удара были менее явными, и все согласились, что кратер должен находиться где-то в районе Мексиканского залива.

Затем геолог Алан Хильдебранд из Аризонского университета в Тусоне и его коллеги повторно изучили данные зондирования для структуры на Юкатане и быстро поняли, что это должен быть огромный ударный кратер. Важно отметить, что образцы из скважин (как и данные зондирования, собранные во время нефтеразведки) показывали, что породы, расположенные непосредственно поверх этой структуры, по возрасту относятся к палеоцену — иными словами, это отложения той геологической эпохи, которая следовала непосредственно за мел-палеогеновой границей. В 1991 году Хильдебранд с коллегами опубликовали результаты исследований и предположили, что именно этот кратер и есть искомое место столкновения.

Кратер получил имя Чикшулуб — по названию близлежащего поселения. Его тщательно изучали, и сейчас нет никаких сомнений, что он образовался в результате удара, а точная датировка его появления и другие свидетельства недвусмысленно связывают его с мел-палеогеновой границей. Толща осадочных пород, закрывающих кратер, затрудняет подробную фиксацию его характеристик, но эти слои поверх лежащих пород одновременно и предотвратили эрозию кратера, и почти идеально сохранили его первоначальную форму и особенности.

На карте видно, что Чикшулуб делится береговой линией полуострова Юкатан почти точно пополам: половина его лежит под сушей, а половина — под водами Мексиканского залива (рисунок 6). Однако во время удара вся эта область находилась под водой: астероид ударился о мелководье континентального шельфа рядом с нынешней Мексикой, пробил слои воды и океанических отложений, а затем выбил кратер в лежащих ниже магматических породах коры. После периода первоначального хаоса (о котором будет рассказано ниже) произошел возврат к нормальным условиям, и кратер начал заполняться отложениями. Впоследствии эти осадочные породы поднялись и ныне составляют часть мирного тропического ландшафта современного Юкатана. Однако под мирным покрывом таится рассказ о катастрофе таких масштабов, которые редко встречаются на Земле.

Что происходит, когда на Землю падает астероид или комета размером с тело, которое образовало кратер Чикшулуб? Факторы, влияющие на объекты, попадающие в атмосферу планеты из космоса, были очень хорошо изучены, когда ученые выясняли, как без возгорания доставить на Землю шаттл или межконтинентальную баллистическую ракету. Для астероидов вычислять приходится значительно больше, но эти расчеты дают ключ к тому, что должно было происходить, а данные геологической летописи дают возможность проверить такие экстраполяции. В зависимости от своих траекторий внеземные тела ударяются о Землю с различной скоростью и под разным углом, однако все они двигаются со скоростью, многократно превышающей скорость звука — обычно 13–19 километров в секунду и даже еще быстрее. При таких скоростях воздух перед астероидом сжимается, оказывая огромное давление на летящее тело, и раскаляет его или как минимум его поверхность (если вы когда-нибудь накачивали ручным насосом велосипедную шину, то знаете, что даже умеренное сжатие быстро нагревает воздух). Такое явление четко зафиксировано у метеоритов, которые не только теряют значительную часть первоначальной массы из-за плавления и разрушения поверхности при погружении в атмосферу, но и часто сохраняют тонкую корку расплавленного материала, которую геологи называют «корой плавления».

Рисунок 6. Местоположение скрытого кратера Чикшулуб на полуострове Юкатан в Мексике. Данные о кратере получены с помощью геофизических методов дистанционного зондирования. (Основано на данных работы Пилкингтона и др., 1994).

Моделирование удара астероида, создавшего мел-палеогеновую границу, показывает, что он сильно нагрел атмосферу при падении, и интенсивность излучения огненного шара была поразительной: в центре шара температура достигала десяти тысяч градусов Цельсия и выше. Рядом с местом падения должно было сгореть все живое. Растительность сожгло в радиусе примерно 3 тысяч километров — сегодня в этот круг попали бы Чикаго, Монреаль, Сан-Диего, Лима и Каракас. Кроме того, часть материала из кратера выбросило вверх с такой скоростью, что она вылетела из атмосферы в космос, а затем вернулась и еще больше нагрела атмосферу при повторном входе. Дождь из выброшенных фрагментов поднял температуру воздуха во всем мире, возможно, иссушив леса и сыграв определенную роль в массовом вымирании. Последние расчеты показывают, что какое-то короткое время — возможно, несколько часов — наземная температура повсюду на планете превышала 250 градусов Цельсия.

Когда группа Альвареса впервые предположила наличие связи между ударом и массовым вымиранием, она выдвинула гипотезу, что основной фактор вымирания — мелкая пыль, выброшенная в атмосферу в результате удара: она перекрыла солнечный свет и заблокировала возможность фотосинтеза на неизвестное, но продолжительное время. Они сочли, что повсеместная гибель растений серьезно нарушила бы пищевые цепочки, и что последствия ощущались бы для всех, вплоть до динозавров. Темнота также вызвала бы резкое понижение температуры, усугубив воздействие на все формы жизни.

Сценарий с пылью правдоподобен, но его трудно подтвердить: чтобы оставаться в атмосфере долгое время, составляющие ее зерна должны быть микроскопическими, и их трудно обнаружить в летописи осадочных пород, не говоря уже о количественном определении. Но даже если пыль не закрывала все небо, то имеется почти бесконечный список других явлений, которые сделали Землю после столкновения весьма негостеприимным местом. Солнце закрывал плотный дым от лесных пожаров в месте падения и в других местах, где леса высохли. Вещество метеорита Чикшулуб богато серой: когда оно испарилось при ударе, сера рассеялась в атмосфере, образуя крохотные частички аэрозолей в стратосфере, которые еще больше закрывали солнечный свет (как мы увидим в следующей главе, затемняющий эффект таких аэрозолей хорошо известен по данным извержений вулканов, богатых серой).

Некоторые химические вещества, поднявшиеся в атмосферу, возможно, разрушили защитный озоновый слой, окружающий планету; в результате жизнь на поверхности на короткое время подверглась воздействию смертоносного ультрафиолетового излучения. В течение многих лет после катастрофы по всему миру, вероятно, шли кислотные осадки — мощная смесь серной и азотной кислот, которую некоторые сравнивают с кислотой из аккумуляторов. (Азотная кислота образуется из оксидов азота, образовавшихся при нагреве астероидом атмосферы, а серная кислота — из испарившихся богатых серой горных пород в месте падения. И оксиды азота, и оксиды серы легко растворяются в воде, порождая кислотные дожди).

Токсичные соединения, выделяемые горящими лесами по соседству, были смертельными для животных. Ударная волна от места падения создала импульс высокого давления и порывы ветра, которые были гораздо сильнее самых мощных ураганов; они сносили деревья и срывали почвы. Поскольку удар пришелся на воду, он породил цунами. По оценкам, самые крупные волны в Мексиканском заливе достигали высоты 150–180 метров и захлестывали сушу на сто километров с лишним. Следы их воздействия можно и сегодня увидеть на осадочных породах региона.

Наконец, действовали и парниковые газы. В месте удара испарились слои отложений, богатых углеродом — например, известняка, и в результате образовался углекислый газ. Обширные лесные пожары после столкновения также добавили в атмосферу значительные количества углекислого газа и метана. В совокупности эти добавки примерно вдвое усилили потепление, вызванное парниковыми газами. Изменения температуры походили на американские горки: интенсивный, но короткий и сильно различающийся в разных местах нагрев из-за прохождения астероида и его выбросов в атмосферу, резкое охлаждение в течение нескольких месяцев из-за пыли, дыма и аэрозолей от удара, а затем продолжительный теплый период, вызванный добавочными парниковыми газами. Неудивительно, что множество видов стали жертвами этой катастрофы.

Примечательно, что исследователи сейчас полагают, что проследили происхождение тела, вызвавшего катастрофу. Если они правы, то судьбу динозавров решило какое-то столкновение в поясе астероидов примерно за 100 миллионов лет до удара, ознаменовавшего мел-палеогеновую границу. В поясе астероидов между Марсом и Юпитером вокруг Солнца двигаются миллионы больших и маленьких каменных объектов (крупнейший из них, Церера, имеет 950 километров в диаметре), и астрономы соглашаются, что именно эта область пространства — главный источник земных метеоритов. Случайные столкновения и гравитационные возмущения орбит астероидов со стороны других тел Солнечной системы заставляют эти объекты менять траектории движения, и некоторые из них летят в сторону Земли. Эту связь подтверждает сходство минерального состава между астероидами и различными группами метеоритов. (О сходствах судят с помощью метода, который называется «отражательная спектроскопия»: он использует анализ света, отраженного от объекта. Поскольку минералы поглощают световые волны конкретной характерной длины, а другие волны отражают, то пики и впадины в спектре отраженного от астероида света показывают минеральный состав его поверхности).

Самый крупный объект, переживший то столкновение в поясе астероидов, которое, как считают, породило и тело, врезавшееся через 100 миллионов лет в Землю и давшее кратер Чикшулуб — это астероид Баптистина, открытый в 1890 году французским астрономом Огюстом Шарлуа. Диаметр Баптистины — примерно 40 километров[23], однако некогда эта малая планета была значительно больше. Это, так сказать, матриарх большого семейства астероидов — группы фрагментов, двигающихся примерно по одной орбите и имеющих, насколько можно судить по спектральному анализу, сходный минеральный состав.

Чем подтверждается связь астероидов семейства Баптистины и юкатанского кратера? Доказательства, надо признать, косвенные, но веские. Эту идею предложила в 2007 году группа астрономов из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере (Колорадо) и Карлова университета в Праге, которые использовали компьютерное моделирование для изучения того, как с течением времени эволюционировало семейство Баптистины. Они начали с определения точного местоположения и размеров всех известных астероидов семейства, а затем, двигаясь во времени в обратном направлении, вычисляли, как их положение менялось с учетом гравитационного притяжения других тел, включая Солнце, планеты и другие астероиды. Они обнаружили, что современная конфигурация семейства лучше всего объясняется разрушением одного большого объекта (минимум 150 километров в поперечнике) во время какого-то столкновения в поясе астероидов около 160 миллионов лет назад.

Расчеты также показали, что многие осколки от этого столкновения вылетели за пределы пояса астероидов, а некоторые оказались в окрестностях Земли. Исследователи пришли к выводу, что из-за этого примерно в течение 100 миллионов лет после такого столкновения на нашей планете должно было наблюдаться усиление бомбардировки. Но изучение лунных и земных кратеров уже показало, что так и есть: в это время количество ударов увеличилось в 2–4 раза. В этот период произошел и удар, образовавший Чикшулуб. Хотя это не доказывает, что ударившее тело принадлежит к семейству Баптистины, существует еще одно подтверждение выдвинутой идеи.

Спектральный анализ астероидов семейства Баптистины показывает, что они состоят из необычного типа внеземного материала, в котором много углерода; метеориты такого состава в земных коллекциях встречаются относительно редко. Однако выпавший слой на мел-палеогеновой границе содержит уникальный химический маркер, характерный для этого богатого углеродом семейства. Таким образом, подходит и время, и состав. Кажется весьма вероятным, что астероидный «ливень», порожденный разрушением Баптистины, был источником тела, упавшего у берегов Мексики; астрономы, которые выполнили эту работу, оценивают эту вероятность не менее, чем в 90 процентов[24]. Они также пришли к выводу, что из семейства Баптистины исходят около 20 процентов крупных астероидов, которые в настоящее время находятся поблизости от Земли.

Эта история не только определяет происхождение предполагаемого убийцы динозавров, но и ставит важный вопрос: насколько вероятно, что другие астероиды полетят в сторону нашей планеты и столкнутся с ней с такими же катастрофическими последствиями? Чтобы верно оценить степень такой угрозы, нужно определить частоту столкновений для объектов разных размеров. Для этого астрономы следят за объектами, проходящими поблизости от Земли (обычно их называют околоземными объектами), а также используют данные о кратерах Земли и Луны. К счастью, эти данные четко показывают, что вероятность удара такой мощи практически равна нулю, и всем нам можно вздохнуть с облегчением. Однако такие анализы обычно предполагают приблизительно постоянную частоту бомбардировки, а если на Землю обрушится астероидный «ливень», при котором камней будет больше, — ситуация изменится. Является ли дождь Баптистины уникальным, или в прошлом были и другие промежутки времени, когда частота ударов была существенно выше долгосрочного среднего значения?

Данные геологической летописи показывают, что были времена, когда Земля подвергалась усиленной метеоритной бомбардировке. Особенно выделяется один интервал, который примерно датируется временем 470 миллионов назад, что соответствует ордовикскому периоду. В каком-то смысле это открытие еще более удивительно, чем изучение астероидов семейства Баптистины. Эта история началась в середине 1990-х, когда Биргер Шмитц из Гетеборгского университета с коллегами обнаружили в одном шведском известняковом карьере многочисленные ископаемые метеориты. Это практически неслыханно: начнем с того, что метеориты — редкая вещь, и большинство людей видело их только в музее. Шансы найти в древнем известняке хотя бы один метеорит малы, а ученые первоначально нашли примерно 7,5 килограмма таких космических камней. Все они оказались невелики (размером примерно несколько сантиметров) и сильно изъедены, однако было ясно, что это метеориты. Поскольку метеориты встречаются только в ограниченном интервале слоев известняка, Шмитц с коллегами пришли к выводу, что они должны были упасть менее, чем за два миллиона лет. Ученые назвали этот карьер местом «с одной из самых больших плотностей метеоритов в мире».

С момента первоначальной находки в шведских карьерах было обнаружено еще множество ископаемых метеоритов, при этом всем породам примерно 470 миллионов лет. Большинство их принадлежит к L-хондритам (буква L означает низкое содержание железа). Важная характеристика L-хондритов — наличие серьезных ударных воздействий, которые, как полагают, вызваны сильным столкновением, разрушившим родительский астероид. Исследования L-хондритов показывают, что это столкновение также произошло близко к 470 миллионам лет назад. Такое совпадение по времени и увеличение количества метеоритов, о котором свидетельствуют находки в шведских карьерах, заставляют предположить, что после столкновения был небольшой промежуток времени, когда Землю поливал дождь L-хондритов[25].

Но есть ли какие-нибудь другие подтверждения? Ответ однозначный: да. Проследив орбиты в прошлое с помощью компьютерного моделирования, как и для семейства Баптистины, исследователи обнаружили, что так называемое семейство Гефьён, вероятно, образовалось в результате распада одного объекта примерно 500 миллионов лет назад. Спектральный анализ показывает, что астероиды этого семейства сходны по составу с L-хондритами, а компьютерное моделирование говорит, что вскоре после столкновения, создавшего семейство Гефьён, Землю должно было засыпать метеоритами, падавшими в 10–100 раз чаще обычного, и некоторые из падающих тел оказывались достаточно велики, чтобы создавать кратеры диаметром в километр и больше. Несмотря на плохую сохранность кратеров этого возраста, нашлось более десятка таких (все больше полутора километров в диаметре), которые датируются интервалом 450–500 миллионов лет назад. Для промежутка времени в 50 миллионов лет это значительное количество, и такой факт подтверждает вывод, что в то время Земля испытывала повышенную плотность бомбардировок.

На рисунке 7 показано общее мнение о рисках опасности ударов, основанное на изучении кратеров и околоземных объектов. Данные показывают, что удар такой силы, который связан с мел-палеогеновой границей, происходит в среднем раз в 150 миллионов лет или около того. Однако более мелкие тела падают чаще. Тела размером с Тунгусский объект сталкиваются с нашей планетой примерно раз в тысячу лет, а астероиды размером с многоэтажный дом (несущиеся на сверхзвуковой скорости) — примерно раз в столетие. Подобно Тунгусскому метеороиду, такие объекты, видимо, взорвутся раньше, чем соприкоснутся с поверхностью, однако это все равно нанесет серьезный ущерб населенным регионам. Стоит помнить, что такие прогнозы основаны на средних значениях, и, хотя вероятность мала, вполне возможно, что новый Тунгусский феномен произойдет завтра или на следующей неделе, а не через тысячу лет. Статистика может вводить в заблуждение, особенно в случае редких событий.

Рисунок 7. Частота столкновений с Землей в зависимости от размеров астероида на основании наблюдений околоземных объектов и земных кратеров (по данным Chapman 2004). Обратите, что на обеих осях используется логарифмическая шкала.

Хотя количественное определение рисков и составление прогнозов — дело важное, в каком-то смысле главное — определить конкретные опасности. Эта логика побудила Конгресс США в 1998 году поручить НАСА составить каталог потенциальных угроз, исходящих из космоса, а позднее, в 2005 году, дать агентству конкретное задание: обнаруживать к 2020 году 90 % всех околоземных объектов размером 140 метров или больше. Свои программы по оцениванию опасностей и изучению методов их ослабления составили также правительство Великобритании и Организация Объединенных Наций. К середине 2010-х годов в список внесли свыше 7000 околоземных объектов (за последнее время ежегодно в список добавляется от 400 до 500 новых тел). Около 800 этих астероидов имеют диаметр больше километра и потенциально могут уничтожить нашу цивилизацию. Однако по современным прогнозам ни один из них не столкнется с Землей. В данный момент в таблице риска столкновений, составленной НАСА, всего лишь один астероид размером в 110 метров находится в категории «нуждается в тщательном наблюдении»; это значит, что он может подойти близко к Земле в течение следующих ста лет (такой временной масштаб используется при изучении потенциальных угроз от околоземных объектов)[26].

Статистические данные по околоземным объектам выглядят обнадеживающе, однако это не повод успокаиваться. Каждый раз телескопы могут наблюдать только небольшие кусочки неба, и многие астероиды — особенно маленькие, но все же потенциально опасные — остаются незамеченными (я упомянул только астероиды, но опасность представляют и кометы; впрочем, на 7 тысяч с лишним околоземных объектов приходятся всего 84 кометы).

При обнаружении нового околоземного объекта установлены четкие процедуры определения его потенциальной опасности. Любой, кто заметит такой объект, может сообщить о своих открытиях в Центр малых планет (ЦМП) в Смитсоновской астрофизической обсерватории в Кембридже (штат Массачусетс). Центр, работающий под эгидой Международного астрономического союза, проверяет и регулярно публикует информацию об идентифицированных околоземных объектах. Две отдельные группы берут данные Центра, вычисляют с помощью компьютерных программ орбиты всех околоземных объектов на следующее столетие и оценивают вероятность столкновения. Сайты этих групп регулярно обновляются, и, если у вас есть паранойя по поводу удара астероида, вы можете заглядывать туда, чтобы узнать последние данные — это Программа околоземных объектов в Лаборатории реактивного движения в Пасадене (штат Калифорния) и Сайт динамики околоземных объектов [NEODyS], которым управляют совместно университеты Пизы (Италия) и Вальядолида (Испания).

Эффективность этих программ показали события октября 2007 года, когда один астроном, работавший рядом с Тусоном (штат Аризона), обнаружил очень маленький объект (размером в несколько метров) и сообщил о нем в Центр малых планет. Первоначальные расчеты показали, что объект столкнется с Землей, и ЦМП немедленно уведомил НАСА и астрономическое сообщество. В течение часа Программа околоземных объектов спрогнозировала, что астероид войдет в атмосферу Земли над Суданом утром следующего дня — всего через двадцать часов после обнаружения. НАСА уведомило различные государственные организации США и выпустило пресс-релиз. Прогноз оказался верным. Метеорит вошел в атмосферу планеты в предсказанное время и взорвался примерно в 40 километрах над поверхностью. Взрыв зафиксировали спутники; его также заметил пилот коммерческой авиакомпании, которого предупредили о приближающемся теле.

Суданский метеорит — не какое-то редкое событие: ежегодно с Землей сталкиваются несколько объектов такого размера. Беспрецедентным было то, что его заметили до удара. Как только о нем стало известно, астрономы всего мира бросились к телескопам и стали вести наблюдения. Их данные потекли в ЦМП и использовались при уточнении траектории астероида в реальном времени. Точная информация о месте событий позволила калифорнийскому астроному Питеру Дженнискенсу вылететь в Судан после удара и быстро найти в пустыне уцелевшие части космического тела. Используя данные слежения от ЦМП, он и группа студентов из университета Хартума прочесали область, где по расчетам должен был упасть метеорит, и нашли массу фрагментов. Это был первый случай, когда на Земле собрали образцы метеорита, обнаруженного еще в космосе. Последующие экспедиции в тот же район довели общее количество найденных обломков до нескольких сотен.

Улучшение отслеживания околоземных объектов означает, что они попадают в заголовки прессы. В марте 2004 года астрономы объявили (а СМИ должным образом рассказали), что скоро произойдет рекордно близкий пролет: через несколько дней астероид размером в 30 метров пройдет мимо Земли на расстоянии всего 42 тысячи километров. Расстояние кажется большим, но в космических масштабах оно ничтожно — лишь чуть-чуть больше, чем окружность нашей планеты и гораздо меньше, чем расстояние до Луны. В реальности близкие пролеты астероидов такого размера происходят регулярно — минимум раз в несколько лет. 2 марта 2009 года другое тело такого же размера прошло мимо нас на примерно вдвое большем расстоянии, чем астероид 2004 года. Такие «маленькие» объекты обычно обнаруживают только при приближении к Земле (если вообще обнаруживают).

Однако позже в 2004 году появились сообщения о гораздо более серьезной угрозе. На основании наблюдений астрономы оценили, что с вероятностью почти 3 % в 2029 году с Землей столкнется довольно крупный астероид, размер которого составляет от 200 до 340 метров — то есть гораздо больше, чем у Тунгусского метеороида. Астероид 99942, получивший название Апофис, попал во все заголовки СМИ. Однако внимание прессы быстро сошло на нет, когда дополнительный анализ показал, что вероятность столкновения оказалась намного ниже, чем давали первоначальные расчеты.

Эта история показывает, как трудно предсказать столкновения с Землей. Хотя мы склонны считать ее очень большой, на самом деле это крошечная мишень в «космическом тире». Обычно крупные околоземные объекты обнаруживают на больших расстояниях (десятки миллионов километров), и их движение фиксируется в течение короткого промежутка времени. Поэтому траекторию движения тела приходится рассчитывать на основании очень небольшого фрагмента орбиты, и даже незначительные погрешности в измерениях — параметров орбиты, массы астероида, параметров его вращения, гравитационного притяжения планет и других астероидов поблизости, а также прочих факторов — могут существенно изменить вычисленное положение астероида через 10, 20 или 100 лет. Кроме того, на орбиту астероида может влиять солнечное излучение, что очень трудно спрогнозировать.

Первые наблюдения в телескоп показали, что Апофис со значительной вероятностью столкнется с Землей в несчастливую пятницу, тринадцатого (13 апреля 2029 года). Однако при прохождении Апофиса в 2014 году элементы орбиты уточнили с помощью радарных наблюдений, и погрешность значительно уменьшилась. Теперь можно уверенно сказать, что астероид не столкнется с нашей планетой. Однако он пройдет весьма близко: минимальное расстояние до астероида будет около 30 тысяч километров, так что если вы случайно окажетесь в нужном месте 13 апреля 2029 года, то сможете увидеть его даже без телескопа.

Поскольку наши возможности обнаруживать околоземные объекты превосходят способности точно вычислять параметры орбиты, то ложных тревог такого рода будет все больше. Но что если новые наблюдения подтвердят пересечение курса Апофиса и орбиты Земли? Можно ли тут что-нибудь сделать? После того, как такую опасность всерьез осознали, проблемой занялась небольшая группа ученых и инженеров. Насколько известно, первое исследование этого вопроса проводили студенты Массачусетского технологического института (МТИ) в 1967 году. Перед ними поставили задачу: не допустить столкновения реального астероида Икар (диаметром примерно один километр) и Земли, если бы им угрожало столкновение (на самом деле это не так, хотя Икар регулярно сближается с Солнцем — отсюда и его название). Студенты предложили для проекта «Икар» решение с помощью грубой силы: отправить к астероиду шесть ракет с ядерными зарядами и взорвать его.

Хотя ядерное оружие по-прежнему входит в арсенал средств, которые можно использовать для отклонения астероидов с их пути, по мере расширения наших знаний об этих космических телах инженеры стали разрабатывать и более тонкие подходы. Если нам грозит столкновение, фактически есть всего два варианта: уничтожить угрожающее тело или отклонить его. Если времени много, то отклонение — гораздо более удачный вариант. Например, если у нас есть десять лет, то достаточно изменить скорость астероида на пару сантиметров в секунду, чтобы вместо столкновения получился промах. Такое изменение — крохотная часть скорости большинства астероидов относительно Земли, которая доходит до 25–27 километров в секунду.

Большие астероиды труднее и отклонять, и разрушать, однако и здесь отклонение предпочтительнее: траектории фрагментов после взрыва невозможно предсказать хоть с какой-то точностью, и после взрыва крупного астероида Землю могут в конечном итоге осыпать его осколки — меньшие по размеру, но все же опасные. Существуют предложения разделить астероид на достаточно мелкие фрагменты, которые не будут представлять опасности для планеты, даже если они до нее долетят, однако эти схемы (пока) не отличаются реальностью. Они включают гигантские «формочки для печенья», которые будут буквально разделять астероид на мелкие кусочки, или «пожирателей», которые будут преобразовывать объект в пыль.

Однако отклонение астероида посредством изменения его траектории кажется более перспективным решением. Изучались разные варианты, включая взрыв на поверхности тела или в космосе рядом с ним, которые придают объекту кратковременный импульс, меняя орбиту, но не разрушают его. В принципе простое столкновение космического аппарата (или нескольких аппаратов) с астероидом даст тот же результат — хотя это сработает только для небольших объектов. Даже крупный космический корабль не окажет никакого воздействия на астероид размером с тот, что образовал кратер Чикшулуб и привел к вымиранию динозавров — это космический эквивалент мухи, врезавшейся в ветровое стекло автомобиля. По этой причине гораздо привлекательнее выглядит использование какой-нибудь слабой, но долговременной силы. К астероиду можно прикрепить какую-нибудь двигательную установку или покрыть поверхность материалом, который будет поглощать или отражать солнечный свет, используя в качестве движущей силы солнечную энергию. Схема привлекает своей простотой, однако ситуация осложняется тем, что все известные околоземные объекты быстро вращаются. Чтобы толкать астероид в конкретном направлении, закрепленную двигательную установку придется периодически включать и выключать по мере вращения объекта. Влияние покрытия поверхности пришлось бы рассчитывать крайне тщательно — нужно знать, когда различные части поверхности будут оказываться на солнце и в тени.

Когда люди впервые обратились к проблеме предотвращения столкновения с астероидом, предполагалось, что эти тела будут напоминать упавшие на Землю метеориты: сплошные каменные или металлические объекты. Эта идея подкреплялась кажущимся сходством между обычными типами метеоритов и астероидов. Однако недавние наблюдения показывают, что даже при сходном минеральном составе разница может быть существенной: многие астероиды представляют собой не отдельные твердые глыбы, а слабо связанные «груды камней». Многие из них оказались парными объектами. И то, и другое усложняет задачу по отклонению потенциально опасной космической угрозы. Становится ясно, что требуется детально знать физические свойства объекта.

Осознание этого факта привело к повышению важности изучения астероидов во всем мире. В результате мы уже добились потрясающих достижений — двух успешных посадок на околоземные объекты. Первая попытка относится к 1996 году, когда НАСА запустило миссию к астероиду Эрос, который был открыт европейскими астрономами еще в 1898 году и с тех пор активно изучался наземными наблюдателями. Насколько сложны такие проекты, иллюстрирует допустимый размер окна запуска: орбита астероида такова, что существовало всего 12 подходящих дней, и в каждом для успешного запуска годилась всего примерно одна минута. Однако после нескольких проблем, заставивших инженеров понервничать, 12 февраля 2001 года межпланетная станция NEAR Shoemaker[27] благополучно произвела посадку на Эросе.

Рисунок 8. Два изображения Эроса. Левая часть составлена из снимков, сделанных космическим аппаратом НАСА NEAR Shoemaker 30 ноября 2000 года, когда он был на орбите вокруг астероида. Показанный размер малой планеты составляет примерно 34 километра. Справа — один из последних снимков аппарата, сделанных 12 февраля 2001 года с высоты 250 метров, когда аппарат спускался на поверхность. Охват примерно 13 метров. (Фото любезно предоставлены НАСА и Лабораторией ракетного движения).

Эрос — небольшой вытянутый объект размером 34 километра в длину, который совершает оборот вокруг своей оси каждые пять часов. Целый год перед посадкой аппарат был искусственным спутником Эроса, проводя измерения и фотографируя его испещренную кратерами и усеянную валунами поверхность (рисунок 8). Эрос относится к плотным каменным астероидам, и посадка космического аппарата на его поверхность прошла идеально. Ученые и инженеры на Земле были в полном восторге: посадка была бонусом, изначально не включенным в план миссии. Посадочный модуль посылал сигналы с поверхности астероида в течение двух недель.

Вторую миссию на астероид отправило Японское агентство аэрокосмических исследований. Космический аппарат «Хаябуса» (по-японски «сокол») имел еще более амбициозную задачу — вернуться на Землю с веществом астероида. Хотя «Хаябуса» по пути столкнулся с различными техническими проблемами, он успешно приземлился (ненадолго) на маленьком вытянутом астероиде Итокава (около полукилометра в длину), причем дважды. Затем он полетел обратно к Земле и 13 июня 2010 года вошел в атмосферу, сбросил теплозащитную капсулу с веществом астероида, которая приземлилась в Австралии, а сам сгорел в атмосфере. На следующий день капсулу нашли и переправили в Японию. Через неделю ученые начали раскрывать контейнер для образцов и в ноябре 2010 года объявили, что с помощью электронного микроскопа нашли примерно 1500 микрозерен в одной из капсул «Хаябусы». Анализ подтвердил, что большинство этих частиц — действительно с поверхности Итокавы. Доставка на Землю вещества с крохотного астероида — одно из самых впечатляющих достижений в истории освоения космоса.

«Хаябуса» отправил на Землю целый поток сведений об Итокаве, в том числе фотографии, показывающие, что это бугристый объект неправильной формы с гигантскими валунами на поверхности. Он обладает низкой плотностью и почти наверняка представляет собой астероид типа «груда камней», то есть является рыхлым агломератом фрагментов. Контраст между двумя единственными околоземными объектами, которые мы посещали[28], подчеркивает, что необходимо как можно больше знать о том астероиде, который представляет потенциальную опасность столкновения, прежде чем пытаться отклонить или уничтожить его: для тела, похожего на Итокаву, понадобится другой подход, нежели для астероида, сходного с Эросом. Однако все предложенные до сих пор методы как минимум требовали, чтобы космический аппарат добрался до искомой цели, и мы продемонстрировали, что можем это сделать. Хотя вероятность катастрофы в ближайшем будущем невелика, приятно знать, что при заблаговременном предупреждении и надлежащем планировании эту конкретную опасность, вероятно, можно предотвратить.

Глава 4

Первые два миллиарда лет

В предыдущих главах мы уже обсудили несколько важных событий из истории Земли — например, удар, образовавший Луну, и массовое вымирание, отмечающее мел-палеогеновую границу; однако я хотел бы начать более систематическое путешествие по геологическому прошлому нашей планеты, добавляя в последующих главах более детальное обсуждение таких явлений, как землетрясения и изменения климата. Место ограничено, так что можно обсуждать только отдельные основные моменты прошлого Земли. Однако я надеюсь, что это сокращенное описание даст представление об увлекательной истории нашей планеты и о том, как она может рассказать нам о протекании процессов в ней. Я также надеюсь, что оно даст читателям понимание колоссальных масштабов геологических изменений, которые затрагивали Землю за последние 4,5 миллиарда лет.

Может показаться безответственным, что первым двум миллиардам лет истории Земли — почти половине времени ее существования — посвящается всего одна короткая глава. Знаний, которые накопили ученые об этом периоде, хватит, чтобы заполнить целые книги, но мы все еще знаем гораздо меньше, чем хотелось бы. Проблема не в недостатке усилий, а в том, что почти все породы, сформированные в первый миллиард лет, и даже многие из тех, что образовались в течение второго миллиарда лет, либо полностью разрушились, либо как минимум сильно изменились. Эрозия стерла древние хребты; столкновения между литосферными плитами заталкивают поверхностные породы вглубь планеты, нагревая, сминая и изменяя их почти до неузнаваемости. В некоторых случаях это происходило неоднократно. В результате в геологической книге возникают пробелы, которые значительно усложняют задачу чтения летописи горных пород в наиболее древних частях земной коры. Несмотря на это, мы знаем многое.

Для геологов поиск самых древних пород сродни поиску Святого Грааля. Сейчас рекорд принадлежит группе пород на восточном берегу Гудзонова залива в Канаде. Если отправиться туда коротким северным летом, бросив вызов тучам комаров, вы сможете сесть на обнажения этих серых непримечательных камней и созерцать окружающий молчаливый ландшафт — бесплодный, но красивый. Однако сами скалы отнюдь не безмолвны: постепенно они рассказывают о своей долгой истории. Это часть формации, известной геологам под названием «пояс Нуввуагиттук» (зубодробительное название из местного инуитского языка), которая датируется временем 4,28 миллиарда лет назад. Это означает, что породы образовались во время катархея — меньше, чем через 300 миллионов лет после рождения самой планеты.

Возраст самых древних известных пород постепенно увеличивается. Когда я был студентом, им было 3,6 миллиарда лет, и держать в руках кусок земной коры такой древности было настоящим чудом (и это по-прежнему так). Я помню, как один всемирно известный профессор, специализирующийся на докембрийских породах, сказал нам, что вряд ли удастся найти породы существенно старше 3,6 миллиарда лет. Он рассказывал, что более старая кора, вероятно, существует, однако она неузнаваема: геологические процессы трансформировали и плавили ее на протяжении всей долгой истории Земли. Однако методы радиоизотопного датирования совершенствовались, а геологи стали понимать, что в перекрученных и деформированных массах древних метаморфических пород могут сохраниться остатки еще более ранних пород земной коры; так что в геологической литературе стали появляться все большие числа. Сначала фрагменты метаморфизованного дна древнего океана рядом с формацией Исуа в западной Гренландии показали возраст около 3,8 миллиарда лет. Затем датировка некоторых прослоек метаморфических гнейсов на северо-западе Канады дала 3,9 миллиарда лет. Более подробные исследования тех же обнажений показали, что они на самом деле являются смесью различных пород, образовавшихся в разное время, а перемешались, возможно, при древнем столкновении литосферных плит. Самым старым частям в этой смеси оказалось чуть больше 4 миллиардов лет. А затем, в 2008 году, появилась новость о возрасте скал на восточном берегу Гудзонова залива — 4,28 миллиарда лет.

По поводу этого рекордного показателя все еще ведутся споры[29]. Ученые, которые вели анализ, применили необычный подход: примененный ими метод датирования обычно не используется для земных пород. Поэтому некоторые геологи хотели бы получить подтверждение возраста с помощью других методов. Однако в любом случае эти данные четко говорят: даже если образцы с Гудзонова залива кристаллизовались не 4,28 миллиарда лет назад, а попозже, то результаты анализа демонстрируют, что они содержат материал-предшественник, который обладает таким возрастом. Химический анализ также показывает, что эти породы, хотя и подвергались метаморфизму, изначально были вулканическими. Таким образом, независимо от интерпретации даты этих пород, имеющиеся данные указывают, что на Земле уже как минимум 4,28 миллиарда лет назад шли корообразующие вулканические процессы.

Этот вывод подтверждают данные с другого края планеты — из Западной Австралии. Местные метаморфические докембрийские породы намного моложе тех, что обнаружились на берегу Гудзонова залива — им «всего» 3,6 миллиарда лет. Но среди них есть прослойки кварцита — метаморфической породы, состоящей в основном из минерала кварца, а также включающей редкие мелкие кристаллы циркона — минерала, который используется для уран-свинцового метода датирования. Предшественником кварцита был прибрежный песок: кристаллы циркона, как и зерна кварца — часть остаточных продуктов, которые выветрились из еще более древних пород и осели в виде песка вдоль древней береговой линии. Поскольку зерна циркона очень прочны, они сохраняют возраст пород-предшественников. Извлекать их — дело кропотливое: чтобы получить хотя бы небольшое количество зерен, приходится измельчать и просеивать массу кварцита (очень твердой породы), а затем анализировать одно зернышко за другим. Но результат того стоил. Ученые обнаружили, что некоторым кристаллам циркона из австралийских пород более 4 миллиардов лет, а возраст одного из них — 4,4 миллиарда.

Эта очень далекая дата относится к одному маленькому кристаллу, а не к целому массиву пород, как в Канаде. Однако химические характеристики такого зерна циркона указывают, что оно сформировалось в породе, похожей на гранит, который сегодня составляет большую часть континентальной коры. Это означает, что процессы образования коры шли вскоре после образования самой Земли — намного раньше, чем изначально предполагали многие геологи. Это также дает геологам дополнительный стимул (если он вообще нужен) искать места, где могли бы сохраниться более крупные фрагменты самой ранней коры планеты.

Какой была Земля в первые несколько сотен миллионов лет после своего рождения? Мы не знаем наверняка, но можем сделать некоторые разумные предположения. Возможно, покажется удивительным, но часть информации о самых первых днях истории планеты получена не от Земли, а от Луны.

В главе 2 описано чудовищное столкновение, которое выбросило массы расплавленной и испаренной породы в космос, создав диск горячего материала вокруг Земли, который слился и образовал Луну. Это столкновение также добавило материи ко все еще растущей Земле, доведя ее массу до 99 % от нынешнего уровня. Хотя камни и небольшие планетезимали продолжали бомбардировать нашу планету, с тех пор на нее не падало никаких тел, которые хотя бы приближались по размеру к тому телу размером с Марс, которое помогло создать наш спутник. Поэтому дата этого грандиозного столкновения является важным показателем для хронологии формирования Земли. В 2007 году изотопный анализ лунных пород показал время столкновения — примерно 4,5 миллиарда лет назад. Эта дата согласуется с независимыми данными с Земли, которые показывают, что наша планета приближалась к нынешнему размеру и за несколько десятков миллионов лет до этого выделила внутри железное ядро.

Как говорилось в главе 2, одним из самых первых и наиболее важных результатов изучения пород, привезенных астронавтами «Аполлонов», оказался тот факт, что вся внешняя часть древней Луны была расплавленной — буквально океаном магмы. Ученые тщательно исследовали камни из древних поднятых районов Луны, которые являются остатками коры, сформировавшейся при охлаждении и кристаллизации магматического океана: они пытались найти то, что пролило бы свет на самые ранние стадии истории нашего спутника. Однако извлечь информацию из этих пород оказалось не так просто, как могло бы показаться — хотя на Луне не идут процессы, которые нагревают и трансформируют породы земной коры, поднятые районы Луны сильно страдают от метеоритной бомбардировки. Большинство старых пород оказались разбитыми, а некоторые даже расплавленными. Однако тщательные хронологические исследования показывают, что магматический океан имел какую-то твердую кору уже 4,46 миллиарда лет назад — спустя всего 50 миллионов лет после столкновения, породившего нашу спутницу. Самый старый образец с Земли — кристалл циркона возрастом 4,4 миллиарда лет — лишь слегка моложе, и поэтому ясно, что если на Земле также был ранний магматический океан, то кора образовалась тоже к этому времени или даже раньше (см. хронологическую шкалу на рисунке 9). Здесь следует отметить, что, хотя я указываю эти даты как абсолютные числа, у каждой из них есть некая погрешность — как правило, в диапазоне от десяти до нескольких десятков миллионов лет. Это отражает тот факт, что аналитические измерения — даже если их выполнять с помощью самых сложных современных инструментов — всегда обладают некоторой небольшой неточностью. Следует подчеркнуть: небольшой. Хотя 10 миллионов лет могут показаться огромным промежутком времени, это всего лишь несколько десятых процента от возраста самих материалов.

В исследованиях самого старого тела Земли — того кристалла циркона возрастом 4,4 миллиарда лет — примечательно то, что удалось не только измерить его возраст, но и определить многие параметры химического состава. Кристалл не больше песчинки размером, однако с помощью современных инструментов, способных анализировать области размером намного меньше, чем диаметр человеческого волоса, геохимики смогли добыть информацию об условиях, которые царили на Земле 4,4 миллиарда лет назад. Главный вывод состоит в том, что на поверхности присутствовала жидкая вода. Возможно, это не выглядит слишком удивительно, если учесть повсеместное распространение океанов сегодня. Однако вспомните, что это происходило всего через 100 миллионов лет после того, как сильнейший удар вызвал крупномасштабное плавление пород. Это было начало катархея — эона, который продолжался до момента 3,8 миллиарда лет назад: тогда Землю бомбардировали космические тела, а на поверхности, вероятно, стояла высокая температура. До появления результатов изучения древних кристаллов циркона многие геологи полагали, что в ту раннюю эпоху вся вода существовала только в виде пара в атмосфере, но не в виде жидкого первобытного океана.

Рисунок 9. Простая хронологическая шкала для первых двух миллиардов лет Земли, начиная с возраста старейших известных объектов Солнечной системы. Возраст указан в миллиардах лет; хотя информация указана на время написания книги, по мере новых открытий данные могут меняться.

Это еще не всё. Самая прямая интерпретация химических характеристик этого зерна циркона показывает, что гранитоподобная порода, в которой оно сформировалось, сама по себе образовалась в результате плавления еще более древних пород с довольно сложной собственной историей: породы-предшественницы выветривались на поверхности Земли, погружались вглубь и нагревались до температуры плавления. Все это могло происходить довольно быстро по геологическим меркам: возможно, первоначальные породы были всего на несколько миллионов лет старше тех, в которых рос наш циркон. У нас нет информации о хронологии событий, влияющих на породы-предшественницы, но само их существование означает, что некоторые известные нам процессы, образующие кору (а именно — расплавление старых материалов коры с образованием гранитоподобных пород) шли уже в самом начале истории нашей планеты. Таким образом, один крошечный кристаллик циркона открыл большое окно к древней Земле. Картина, которую мы наблюдаем через это окно, сильно отличается от той, которую представляли себе геологи всего несколько лет назад.

В чем заключались основания теперь уже явно ошибочной идеи, что ранняя Земля была слишком горячей для наличия на поверхности жидкой воды — возможно, на протяжении всего катархейского эона? Особенно важными были два фактора. Первый — идея, что массивная атмосфера, изобилующая водяным паром из-за первоначальных высоких температур, окутывала нашу планету как изолирующее одеяло, предотвращающее охлаждение. Второй — то, что непрерывная бомбардировка — последняя стадия процесса аккреции (накопления массы планеты) — в течение многих сотен миллионов лет держала поверхность Земли на уровне выше точки кипения воды.

Нет сомнений, что после образования Земля была очень горячей, и что грандиозное столкновение, образовавшее Луну, расплавило часть ее внешних областей или, возможно, даже всю поверхность. Земля до сих пор остывает после этого огненного начала — факт, который мы не часто замечаем, расположившись на поверхности планеты. Но с геологической точки зрения магматический океан начал застывать достаточно быстро. Раскаленная лава, текущая по склонам вулканов, например, гавайского вулкана Килауэа, покрывается коркой почти мгновенно и — в зависимости от мощности потока — может превратиться в холодный камень за срок от нескольких дней до года-двух. Конечно, по сравнению с Килауэа магматический океан огромен, но его поверхность все равно бы затвердела и остыла довольно быстро.

Однако еще долгое время после удара, образовавшего Луну, столкновения с крупными и мелкими телами продолжали добавлять тепловую энергию на поверхность Земли, хотя этот процесс был нерегулярным и в разное время затрагивал разные части нашей планеты. Судя по исследованиям лунных пород и датировке лунных кратеров, бомбардировка, прекратилась около 3,8 миллиарда лет назад. В течение предыдущих 200 миллионов лет (в промежутке между 4 и 3,8 миллиардами лет назад) частота столкновений была крайне высокой — это явление получило название «поздней тяжелой бомбардировки». К этому времени тяготеют крупные окаймленные горами бассейны на Луне (например, легко видимое Море Дождей). По сути эти бассейны — гигантские дыры, пробитые в первоначальной лунной коре упавшими телами; позже их заполнили базальты, поднявшиеся из мантии Луны. Объекты, создавшие такие бассейны, имели диаметр в десятки километров, в то время как дождь обломков, падавших на Землю, должен быть еще сильнее (из-за ее большего размера и потому большего гравитационного притяжения). Хотя такие удары локально плавили бы земную кору и испаряли верхние слои океанов во всем мире, данные кристаллика циркона возрастом 4,4 миллиарда лет показывают, что всего через 150 миллионов лет после начала формирования нашей планеты она сохраняла на поверхности какое-то количество жидкой воды.

Поскольку вода является главным компонентом для жизни, наличие воды на ранних этапах существования Земли немедленно ставит вопрос: когда на планете зародилась жизнь? Самые старые окаменелости — это тонкослойные структуры, которые называются строматолитами (рисунок 10). Эти объекты могут иметь самые разные формы — от простых конусов до крупных ветвящихся колонн, и они являются преобладающим типом окаменелостей во всех осадочных породах, возраст которых превышает 600 миллионов лет. Самые старые строматолиты относятся к одной формации в Западной Австралии, возраст которой составляет чуть более 3,4 миллиарда лет.

Удивительно, но строматолиты образуются до сих пор, хотя и в ограниченном числе мест. Тщательное изучение современных аналогов этих древних окаменелостей дало решающее представление о том, как и где они растут[30]. Сложные слоистые структуры состоят из тонких слоев микробов — колоний одноклеточных бактерий, включающих (по крайней мере у современных экземпляров) фотосинтезирующие цианобактерии, которые действуют как ловушки для осаждающихся зерен. В результате постепенно образуются бугры, купола или колонны. Они растут в теплых мелководных районах по берегам континентов и либо полностью находятся под водой, либо частично оказываются на поверхности во время отливов. По воле судьбы самые старые и самые молодые строматолиты в мире разделены всего несколькими сотнями километров: как и архейские экземпляры, современные строматолиты находятся в Западной Австралии, в заливе Шарк. В 1991 году этот залив был объявлен объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО, и, приехав сюда, вы сможете взглянуть на эти странные неровные объекты с удобной смотровой площадки.

Рисунок 10. Слева: крупным планом тонкие слои в изъеденном конусообразном строматолите из Западной Австралии возрастом 3,43 миллиарда лет. Размер показанной области — около 22 сантиметров в поперечнике. (Фото любезно предоставлено Эбигейл Оллвуд). Справа: современные частично торчащие из воды строматолитовые образования, растущие в заливе Шарк в Западной Австралии; март 2005 года. (Фото Пола Харрисона, воспроизводится в соответствии с условиями лицензии свободной документации GNU).

Идентифицировано как минимум семь различных разновидностей ископаемых строматолитов возрастом 3,4 миллиарда лет. Распределение этих разновидностей и пород, с ними связанных, показывает, что они составляли разнообразную экосистему вдоль древней береговой линии, которая впоследствии ушла под воду из-за повышения уровня океана; при этом разные типы строматолитов занимали слегка отличающиеся экологические ниши. Это рисует картину Земли, изобилующей жизнью уже 3,4 миллиарда лет назад, причем возможно — если современные строматолиты являются надежным ориентиром — уже имелись бактерии, которые потребляли углекислый газ и производили кислород с помощью фотосинтеза. Обилие и разнообразие ранних строматолитов заставляет предположить, что жизнь возникла задолго до отметки 3,4 миллиарда лет назад — возможно, еще в катархейском эоне.

Однако от катархея окаменелостей не осталось: все намеки на то, что жизнь могла существовать ранее момента 3,4 миллиарда лет назад, являются косвенными. Самые старые на Земле осадочные породы обнаружены в области Исуа в западной Гренландии и в северном Квебеке: их возраст насчитывает 3,8 миллиарда лет. Эти породы не раз претерпевали метаморфизм, но все еще сохраняют признаки того, что осаждались в воде; в них нет узнаваемых окаменелостей, но гренландские образцы содержат графит — одну из форм чистого углерода. Изотопный анализ этого графита показывает, что такой состав характерен для биологического углерода, а это заставляет предположить, что он образовался в живых организмах. Если самые старые известные осадочные породы содержат «химические окаменелости», свидетельствующие о жизни, то вполне вероятно, что наша планета была заселена с самого начала своей истории.

Однако есть и критики. Они не ставят под сомнение изотопный анализ гренландских образцов, где углерод четко демонстрирует биологическое происхождение, но указывают, что этот графит встречается в крайне малых количествах, и что его предшественник — биологический углерод — мог появиться гораздо позже образования горных пород — возможно, во время одного из метаморфических преобразований. Но если мы согласимся с тем, что частицы графита в самом деле произведены организмами, населявшими океан 3,8 миллиарда лет назад, это не должно особенно сильно поражать. Все важные для жизни химические элементы присутствовали на Земле с самого начала, и в их распоряжении имелись сотни миллионов лет, чтобы прореагировать всеми возможными способами. В первобытном океане создавались и трансформировались различные молекулы и соединения, и когда появились те из них, которые могли самопроизвольно воспроизводить себя, эволюция форм жизни стала практически неизбежной.

Решающий шаг — способность молекулы воспроизводить себя — недавно был продемонстрирован в лабораторных экспериментах с искусственно созданными молекулами РНК (рибонуклеиновой кислоты), проведенных в научно-исследовательском институте Скриппса в Калифорнии. Эти сконструированные молекулы могут самовоспроизводиться быстро и практически бесконечно. Еще интереснее то, что разные молекулы РНК «конкурируют» друг с другом, если их объединяют в одном эксперименте: те, что воспроизводятся быстрее всего, будут наиболее «успешными» в захвате среды. Хотя молекулы в этом эксперименте самовоспроизводятся, они не могут развиваться и не являются живыми организмами. Однако их поведение дает представление о процессах, которые могли быть предвестниками возникновения жизни на Земле.

Бактерии, ответственные за самые ранние окаменелости (строматолиты), были примитивными в том смысле, что являлись одноклеточными организмами без выделенного ядра и с немногочисленными внутренними структурами. Вместе с другой группой микроорганизмов, называемых археями, они были единственными живыми существами на планете на протяжении большей части первых двух миллиардов лет существовании Земли. И археи, и бактерии по-прежнему многочисленны. Чтобы увидеть их, понадобится микроскоп, но их так много, что если вы сложите их массу, то обнаружите, что они составляют значительную часть всего живого на планете.

Привычные нам растения и животные состоят из гораздо более сложных клеток, нежели клетки первых одноклеточных организмов. Основная разница в том, что у них есть выделенное ядро, в котором происходят многие жизненно важные процессы клетки. Организмы из таких клеток (включая нас) называются эукариотами. Первая однозначная фиксация эукариотических клеток в геологической летописи относится к породам протерозойского эона, но, вероятно, они возникли намного раньше. Как и свидетельства ранней жизни в гренландских породах, намеки на первых эукариотов получены не от окаменелостей, а от химических индикаторов. Биологические соединения, характерные для эукариотических клеток, обнаружены в осадочных породах, возраст которых составляет 2,7 миллиарда лет.

Эти молекулы, называемые биомаркерами, прочны и разрушаются с трудом. Поэтому, если только они не оказались в осадочных породах позднее — естественным путем или в результате загрязнения во время обработки (ученые, сделавшие это открытие, скрупулезно старались оценить и исключить эту возможность), то они являются четким сигналом того, что к концу архейского эона к археям и бактериям в океанах присоединились эукариоты.

С появлением и эволюцией жизни на первобытной Земле неразрывно связан вопрос, на что были похожи тогдашние океаны и атмосфера, и когда и как они начали изменяться в сторону своего нынешнего состояния. Самое существенное различие — содержание кислорода. Есть очень веские основания полагать, что кислород (который сейчас составляет чуть более пятой части объема атмосферы) как минимум до конца архейского эона присутствовал только в исчезающе малых количествах — вероятно, менее 0,1 % от современного уровня. Это почти половина истории Земли, и такое положение дел имеет далекие последствия.

Как узнать об уровне кислорода на ранней Земле? Информация об этом, как и многое другое в истории планеты, хранится в горных породах. Одна подсказка заключается в том, что определенные виды формаций осадочных пород, которые называются железистыми кварцитами, вполне обычны для архейских пород, но редко встречаются позднее. Самые старые осадочные породы в мире — образцы из Квебека и западной Гренландии возрастом 3,8 миллиарда лет — содержат такие отложения, однако ни сегодня, ни вообще с докембрия железистые кварциты не образуются. Чтобы понять, какое отношение это имеет к кислороду, необходимо сделать небольшой экскурс в простую химию.

Первое, что следует отметить — высокую реакционную способность кислорода. Она так велика, что химические процессы, которые шли на суше и в океанах на заре существования Земли, значительно отличались от тех, что идут сейчас, и эти различия сказывались на химических характеристиках древних осадочных пород. Хорошим примером является железо — один из наиболее распространенных элементов в земной коре; его поведение сильно зависит от количества кислорода в окружающей среде. Если кислорода много, железо быстро вступает с ним в реакцию. Попробуйте оставить во дворе какую-нибудь железяку, и вы увидите процесс окисления железа в действии: ржавчина — это просто окисленное железо (оксид железа). Растворенный в водах океанов кислород реагирует с растворенным железом, заставляя его отлагаться: зерна осадка покрываются слоем оксида железа. Этот процесс быстро удаляет металл из современных океанов, и в результате морская вода содержит очень мало растворенного железа. Однако огромное количество железа в архейских железистых кварцитах говорит о том, что в древности морская вода содержала гораздо больше железа. Это могло происходить только в том случае, если в атмосфере и океанах в те времена было мало кислорода или его не было вовсе.

Железистые кварциты важны экономически (это основной источник железной руды), а потому их детально изучили. Руда состоит из оксидов железа, поэтому ясно, что для ее образования необходим кислород и большое количество растворенного железа. Природа отложений указывает на то, что слои окиси появлялись в результате осаждения — возможно, при участии бактерий. Химический анализ железистых кварцитов показывает, что источником железа становились подземные горячие ключи. Как и сегодня в вулканических районах, морская вода проникала по трещинам и разломам в породы морского дна, нагревалась до высоких температур и в ходе такой циркуляции вымывала железо из пород. Поскольку уровень кислорода в воде был низок, то после выхода воды на дно большая часть железа оставалась в растворе. Но если и в морской воде, и в атмосфере кислорода было мало, то как тогда железо окислялось?

Одно из предположений заключается в том, что в верхней хорошо освещаемой солнцем зоне океанов существовали скопления первых фотосинтезирующих бактерий, которые производили кислород. Когда вода с больших глубин, обогащенная железом, сталкивалась с этим кислородом, железо осаждалось. Это согласуется со свидетельствами того, что железистые кварциты сформировались на относительном мелководье, а также с недавними данными, полученными от южноафриканских пород возрастом 2,6 миллиарда лет, которые говорят о том, что вода на мелких участках была насыщена кислородом, в то время как глубины океана оставались им бедны. Хотя нет никаких однозначных доказательств наличия фотосинтезирующих бактерий в архейских океанах, сегодня существуют бактерии, которые окисляют железо в процессе собственного метаболизма, не производя при этом свободного кислорода, и, возможно, подобные организмы были посредниками при формировании железистых кварцитов.

Вне зависимости от того, как именно окислялось железо, вывод о минимальном уровне кислорода в атмосфере Земли или его отсутствии, сделанный по кварцитам, подтверждается другими свидетельствами. Один из самых убедительных аргументов — химическая сигнатура-«подпись», которую получили из мелких зерен пирита (минерала, который называют также «золотом дураков») в древних осадочных породах. Да, звучит несколько туманно, но эта история настолько поучительна, что ее имеет смысл рассказать подробнее. Она показывает, сколь сложными стали аналитические инструменты расшифровки прошлого.

В современной богатой кислородом атмосфере солнечный свет расщепляет часть молекул кислорода (O_2), высвобождая отдельные атомы кислорода, которые затем объединяются с другими молекулами O_2, образуя трехатомные молекулы озона (O_3). Этот процесс создает озоновый слой в стратосфере, который действует как своеобразный солнцезащитный фильтр для нашей планеты, поскольку молекулы озона поглощают ультрафиолетовое излучение Солнца. Без кислорода в атмосфере не было бы и озона, и ультрафиолетовое излучение попадало бы на поверхность. Следовательно, если какая-то характеристика поверхности Земли может численно определять количество ультрафиолета, проникшего сквозь атмосферу, то она стала бы хорошим индикатором содержания кислорода в атмосфере.

Изобретательные геохимики нашли такую характеристику: изотопы серы в пирите из океанических отложений. Как это связано с ультрафиолетовым излучением? Сера в форме газообразного диоксида серы, который выбрасывается из вулканов, в небольшом количестве входит в состав атмосферы. В геологических масштабах вулканический диоксид серы в атмосфере задерживается ненадолго: его смывает и переносит в океаны, и в конечном итоге он оказывается в отложениях. Но если он еще в атмосфере взаимодействует с ультрафиолетовым излучением большой мощности, то происходят химические реакции, которые оставляют уникальный изотопный отпечаток. Этот отпечаток сохранится даже тогда, когда сера попадает в океан и превращается в отложениях в сульфид серы — пирит. Поэтому этот минерал является четким сигналом, что ультрафиолет глубоко проникал в атмосферу. Когда геохимики провели анализ пиритов из осадочных пород, охватывающих большой диапазон возрастов, они обнаружили определенную изотопную сигнатуру практически во всех образцах старше 2,45 миллиарда лет, но не в более молодых породах.

Это открытие является максимально убедительным доказательством, что вплоть до 2,45 миллиардов лет назад Земля не имела озонового слоя, а значит, в атмосфере было мало кислорода. Неизвестно, почему именно в это время количество кислорода выросло так резко. Большинство предположений сходятся на том, что оно изменилось на несколько порядков — от почти нуля до примерно 1 процента. Это глобальное изменение назвали «кислородной катастрофой». Кислороду предстоял еще долгий путь до современного уровня, и имеющиеся данные говорят, что это увеличение прошло отнюдь не плавно и стабильно: на пути оказывались и всплески, и провалы. Однако важнейший порог был преодолен 2,45 миллиарда лет назад — примерно в конце архейского эона. С этого времени атмосфера планеты содержала кислород, пусть поначалу и немного.

Атмосфера того времени, возможно, отличалась от современной и по другим параметрам. В начале 1970-х годов астроном и популяризатор науки Карл Саган указал, что 4,5 миллиарда лет назад тепловыделение Солнца было на 20–25 % меньше, чем сейчас, а потом постепенно увеличивалось до современного уровня. Этот вывод, основанный на хорошо известных закономерностях эволюции звезд, похожих на наше Солнце, имеет важные последствия для климата Земли. Это привело к так называемому «парадоксу молодого слабого Солнца»: если уровень солнечной энергии был в прошлом настолько низким, то почему в геологической летописи нет свидетельств, что планета находилась в замороженном состоянии? Ответ почти наверняка заключается в том, что температуру планеты поддерживали улавливающие тепло парниковые газы, которых в то время в атмосфере было гораздо больше, чем сегодня.

Из всех парниковых газов чаще всего мы слышим об углекислом газе (он же диоксид углерода или двуокись углерода). Его концентрация в атмосфере древней Земли, возможно, была в несколько раз выше сегодняшнего уровня, однако вполне может быть, что важную роль в предотвращении замерзания Земли играл и другой газ, обладающий парниковым эффектом — метан. Как и углекислый газ, метан входит в состав вулканических газов. Однако сегодня большую часть метана, попадающего в атмосферу, производят микробы. Неизвестно, когда стали развиваться эти микроорганизмы, но они имеют древнее происхождение — относятся к археям, самым ранним из известных микробов. Они процветают в условиях нехватки кислорода и, появившись на Земле, стали обильным источником парниковых газов.

Сегодня на Земле метан разрушают различные окислительные реакции: среднее время жизни молекулы в атмосфере — меньше десяти лет. Однако в бескислородных условиях ранней Земли молекулы метана оставались в атмосфере в тысячу раз дольше, и поэтому общие концентрации могли бы достичь гораздо больших величин. В сочетании с высокой концентрацией углекислого газа это могло уберечь планету от замерзания, а может быть, даже делало ее довольно теплой. Когда в атмосфере появился свободный кислород, содержание метана начало уменьшаться, но это падение, видимо, было не резким, поскольку уровень кислорода оставался низким на протяжении всего протерозойского эона.

Бедная кислородом и богатая парниковыми газами атмосфера первых двух миллиардов лет существования Земли влияла на всё — от химии океана до биологической эволюции, климата и выветривания горных пород на поверхности планеты. Однако от нынешнего состояния отличались не только тогдашние океаны и атмосфера. Другой была и суша — особенно природа и рельеф континентов. Найти подтверждения этому еще труднее, чем в случае атмосферы. Некоторые подсказки можно отыскать в тектоническом движении плит — основном геологическом процессе, влияющем сегодня на континенты.

Сохранившихся фрагментов древнейшей континентальной коры Земли немного, они невелики по размеру и сильно метаморфизированы, однако встречаются на всех континентах (карту, показывающую их распределение, см. на рисунке 20). Большинство таких анклавов древней коры содержат породы, в целом похожие на гранит. Мы уже видели, что самое старое на Земле зерно минерала — кристаллик циркона возрастом 4,4 миллиарда лет из Западной Австралии — образовалось внутри какой-то гранитоподобной породы. Сегодня образование гранита тесно связано с тектоникой плит, а значит, это можно считать косвенным подтверждением того, что этот процесс действовал со времен катархейского эона. Когда именно началась современная тектоника плит, вопрос спорный, и мнения геофизиков тут расходятся, однако большинство соглашается, что такой процесс работал к концу архейского эона 2,5 миллиарда лет, а может быть, и раньше. Последние исследования показывают признаки того, что тектоника плит (или, по крайней мере, нечто близкое к современной тектонике) играла определенную роль в формировании поверхности Земли более трех миллиардов лет назад, а возможно, еще раньше в катархее.

Каким образом ранняя тектоника плит формировала поверхность нашей планеты? Были ли тогда горы и долины, сходные с сегодняшними, или все было совсем иначе? К сожалению, геологическая летопись не помогает понять древний рельеф: отчасти потому, что от того времени осталось мало фрагментов коры, отчасти потому, что дожившие до наших дней породы просто не содержат никаких намеков на формы поверхности Земли — или, по крайней мере, геофизики пока ничего не смогли расшифровать. Однако кое-что можно вывести из теоретических соображений и геофизического моделирования. Например, мы знаем, что во время катархейского и архейского эонов Земля была намного горячее, чем сегодня — как из-за своего бурного рождения, сопровождаемого теплом, так и вследствие природного распада радиоактивных изотопов (со временем тепло радиоактивного распада уменьшается по мере радиоактивного распада). Моделирование показывает, что в условиях более высокой температуры литосфера — твердая наружная оболочка Земли — была гораздо менее прочной, чем сейчас.

Менее прочная литосфера не могла бы удержать крупные горные системы вроде Гималаев и Анд. Вероятно, наша планета была более плоской, чем сегодня: горы поднимались на километр-полтора, это меньше высоты Денвера[31]. Сглаженный рельеф означает, что эрозия (которая сильнее всего в регионах с высоким рельефом), возможно, не так активно, как сегодня, разрушала вулканические породы небольших существовавших континентов и преобразовывала их в осадочные породы. Однако частично это могло уравновешиваться повышенным уровнем углекислого газа в атмосфере: из-за него увеличивался уровень кислотных осадков, что приводило к более интенсивному разрушению поверхностных пород.

Несомненно, вы обратили внимание, что в этой главе часто использовались слова «возможно», «вероятно», «может быть». Дело в том, что трудно сказать что-то определенное об условиях и событиях, имевших место миллиарды лет назад. Чем ближе к настоящему, тем более ясны геологические свидетельства. И хотя о катархейском и архейском эонах мы многого не знаем, я надеюсь, эта глава прояснила для вас то, что нам все-таки известно. Сведения, хранимые в горных породах, вкупе с теоретическими выводами показывают, что в конце архея небольшие континенты Земли были невысокими, в атмосфере почти не наблюдалось кислорода, а жизнь существовала только в виде одноклеточных организмов, населявших моря. На бесплодной суше не было ни растений, ни животных, а средние температуры были высокими из-за парникового эффекта, обеспеченного метаном и двуокисью углерода. На поверхность планеты падало смертельное ультрафиолетовое излучение. Прошла почти половина истории Земли, а мир все еще серьезно отличался от того, что мы знаем сегодня.

Глава 5

Блуждающие плиты

До 1960-х годов у геологов были достаточно причудливые представления о том, как образовались крупные горные хребты — например, Альпы или Анды. Особенно их озадачивали гигантские складки, которые показывало геологическое картирование в Альпах: толстые слои осадочных пород, первоначально отложившиеся на дно океана, теперь возвышались на километры выше уровня моря, закручиваясь при этом как свернутый ковер. Это требовало вводить в объяснения непонятные «сжимающие силы» и вертикальные перемещения. Никто не мог точно сказать, как действуют эти таинственные силы. Однако сегодня каждый студент-геолог может подробно рассказать, как тектоника плит связана с горными хребтами и многими другими аспектами топографии планеты. Концепция динамической Земли с толстыми плитами, движущимися и взаимодействующими на ее поверхности, обогатила повседневный язык метафорой для радикальных перемен, когда говорят о «двигающихся тектонических плитах» в международных отношениях, политике, финансах или бизнесе.

Перемещения плит меняли облик планеты на протяжении большей части ее истории. Движущей силой является охлаждение нашей планеты из исходного горячего состояния, особенно охлаждение металлического ядра, при котором тепло передается в вышележащую мантию и способствует медленной крупномасштабной конвекции. Устойчивые потоки горячих пород мантии взаимодействуют с холодной твердой внешней оболочкой — литосферой — и заставляют ее двигаться. Однако литосфера — не единый сплошной слой; она разделена на множество фрагментов — литосферных (тектонических) плит (рисунок 11).

Основные принципы тектоники плит разработали в 1960-е годы, что произвело революцию в геологическом мире. То, что раньше было описательной наукой, превратилось в более предсказательную, в которой было проще связать причины и следствия. Тектоника плит стала моделью для понимания, как функционирует Земля в крупных масштабах. Стало ясно то, что раньше понимали плохо: как устроены горные хребты, почему землетрясения и вулканы сконцентрированы в определенных регионах Земли и как формируются бассейны океанов. Эта теория также заставила геологов мыслить глобально и рассматривать даже локальные особенности в более широком контексте. Хотя океаны и атмосфера не являются непосредственной частью теории литосферных плит, геологи вовлекли в геологическое мышление и их, и их взаимодействие с сушей. Когда взаимосвязь геологических процессов стала очевидной, в знак признания этого нового мышления геологические факультеты университетов по всей планете переименовали в факультеты наук о Земле или наук о Земле и окружающей среде.

Рисунок 11. Основные литосферные плиты. Стрелки показывают относительное движение между ними. В большинстве случае плиты либо расходятся (границы расхождения отмечены океаническими хребтами) или сходятся в зонах субдукции (где один блок коры погружается под другой). В некоторых местах, например, на западе Северной Америки, две плиты просто скользят относительно друг друга по разлому. Также существует множество более мелких плит, но они на карте не показаны.

Некоторые идеи, включенные в тектонику плит, имеют давнюю историю. Многие люди, смотревшие на карту мира, замечали, что Африка и Южная Америка подошли бы друг к другу как кусочки пазла, если бы каким-то образом удалось убрать Атлантический океан. Но это кажется невозможным: как убрать тысячи километров океана? В начале двадцатого века немецкий ученый Альфред Вегенер предположил, что материки могли просто дрейфовать через области, которые сейчас заняты океаном. Он назвал этот процесс «дрейфом материков» и в 1915 году опубликовал книгу с изложением своих идей[32]. Физики высмеяли теорию Вегенера, и она никогда не привлекала особого внимания — в основном потому, что в его представлении о дрейфе континентов имелись определенные изъяны. Однако собранные им геологические свидетельства неоспоримы. Он указал, что в Южной Америке есть геологические объекты, которые резко заканчиваются на побережье и при этом совпадают с аналогичными объектами в Африке. Если бы не океан, они были бы единым целым. Он также показал, что последнее оледенение одновременно затронуло некоторые части Индии, Африки и Южной Америки, и что если бы эти три массива суши были соединены, то такие гляциальные черты мог оставить единый ледяной покров. Хотя большинство ученых не принимало идей Вегенера, его геологические доказательства (и многие аналогичные наблюдения, собранные на протяжении десятков лет) означали, что различные воплощения идеи дрейфа материков появлялись в геологической литературе вплоть до возникновения революционной теории тектонических плит.

Наблюдения, которые в конечном итоге привели к теории плит, были получены в результате изучения дна океана — в основном благодаря исследованиям, финансируемым военно-морским флотом США. После Второй мировой войны, когда дальность действия и глубина перемещения подводных лодок резко возросли, ВМФ стал всерьез интересоваться тонкостями подводной топографии. Геологи, занимающиеся морем, были рады пойти навстречу, поскольку щедрость ВМФ дала им возможность исследовать в значительной степени неизвестные области. Они обнаружили, что морское дно вовсе не похоже на тихое однообразное место, как его себе многие представляли. Новые исследования показали с беспрецедентной детальностью, что дно океана — это место колоссальных гор, огромных разломов, глубоких впадин и активных вулканов. Особенно интригующей была линия гор, которая проходит с севера на юг и делит пополам Атлантический океан, повторяя очертания континентов с обеих сторон. Эту систему назвали Срединно-Атлантическим хребтом; для него характерна центральная долина со скалистыми стенами по обе стороны. Кроме того, оказалось, что Срединно-Атлантический хребет не заканчивается в Атлантике. Он соединяется с аналогичной формацией, которая идет на восток по Индийскому океану, вокруг Австралии, а затем в Тихий океан, где простирается на север до Калифорнии, что делает всю систему непрерывным глобальным элементом рельефа.

Однако океанографы нанесли на карту не только топографические особенности. Они изучили многие другие свойства океанского дна, включая магнитные характеристики. Уже было хорошо известно, что на суше местные горные породы влияют на магнитное поле; например, породы с высоким содержанием железа, как правило, дают сильный магнитный сигнал. Поэтому магниторазведка является важным инструментом для поиска металлических руд. Геофизики также обнаружили, что в толстых последовательностях лавовых потоков ориентация магнитного поля иногда оказывалась обратной. Поскольку магматические породы «вмораживают» при застывании характеристики магнитного поля, эти специалисты пришли к выводу, что в прошлом магнитные полюса планеты менялись местами. Потоки лавы, извергавшиеся в соответствующие промежутки времени, дают противоположный магнитный сигнал.

Крупномасштабные магнитные исследования обычно показывают хаотические географические магнитные структуры, поскольку в континентальной коре очень часто соприкасаются весьма разные типы горных пород. Однако первые геомагнитные исследования в океане, проведенные у северо-западного побережья Соединенных Штатов, дали совершенно другие результаты. Они показали, что магнетизм морского дна имеет строго регулярную структуру, когда длинные линейные полосы одинаково намагниченных пород расположены в виде полосатого спектра, как у зебры. Геофизики, выполнявшие эту работу, удивились и озадачились. Они не понимали, как получился такой спектр.

Однако его происхождение стало понятно, когда собрали дополнительные данные о магнитном поле на морском дне. Особенно важной стала информация, полученная при исследовании системы океанических хребтов в Индийском океане и в Северной Атлантике. Здесь, как и в северо-западной части Тихого океана, магнитные спектры оказались правильными — с линейными полосами одинаково намагниченных пород. Поражало то, что эти полосы шли параллельно хребту и были сходными с обеих сторон — практически зеркальное отражение друг друга (рисунок 12). Это стало моментом истины для геонаук. В 1963 году геологи Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз из Кембриджского университета в Великобритании опубликовали статью, в которой предложили объяснение таких магнитных спектров: они предположили, что центральная долина в океанических хребтах — на самом деле разлом в земной коре, через который постоянно изливается магма, создавая новое дно океана. Когда свежий, богатый железом базальт на дне кристаллизуется и расходится по обе стороны от хребта, он приобретает магнитную сигнатуру — следы магнитного поля планеты на тот момент. Изменения магнитного поля — особенно периодические смены полярности — впечатываются в породы морского дна и обеспечивают спектр из полосок. Идею, что дно океана расширяется в стороны от океанических хребтов, уже высказывали, но именно геомагнитные данные по-настоящему помогли укрепиться теории «спрединга морского дна[33]» и в конечном итоге привели к теории тектоники плит.

Рисунок 12. Когда в разломах образуется новая океаническая кора, на ней остается магнитная сигнатура окружающего магнитного поля, существовавшего в момент образования; в результате получается симметричный рисунок магнитных полос на обеих сторонах центрального разлома. На этой схеме темные полосы изображают участки дна, где магнитная полярность соответствует нынешней, а белые — участки, созданные во времена обратной полярности. Ширина полос зависит от продолжительности промежутков той или иной полярности.

Одинаковые правильные спектры магнитных полос около хребтов обнаруживаются по всему океаническому дну. Как только это выяснилось, то из объяснения Вайна и Мэтьюза для этих полос ученым стало понятно, что океаническая кора должна быть относительно молодой с геологической точки зрения. Внезапно обрели также смысл наблюдения вроде тех, что делал Альфред Вегенер десятилетиями ранее. Если новое дно формируется вдоль Срединно-Атлантического хребта, то Атлантический океан должен расширяться. Самые молодые породы находятся вдоль хребта, самые старые — по краям океана, рядом с материками. Если запустить часы в обратную сторону, то Атлантика закроется, морское дно снова исчезнет в недрах Земли у центрального хребта, и общие геологические особенности у Африки и Южной Америки, зафиксированные Вегенером, будут образовывать единое непрерывное пространство. Континенты не дрейфовали через Атлантику, как он считал; наоборот, при разделении континентов образовался океанический бассейн.

Но здесь появляется очевидная проблема. Ведь если Земля не увеличивается, то невозможно создавать новые океанические бассейны размером во многие тысячи километров (как Атлантический океан). Единственное решение заключается в том, что где-то на планете такое же количество океанического дна должно исчезнуть. Именно это и происходит в тектонических процессах: по мере того как вдоль океанического хребта создается новое дно океана, такое же количество разрушается в так называемой зоне субдукции, где океаническая кора ныряет вглубь Земли (см. рисунок 13). Часто, но не всегда, зоны субдукции возникают на краю континентов, и морское дно погружается под материк как продолжающаяся плита. Между континентальной и океанической корой есть большая разница в плотности (континентальные породы намного легче), и поэтому таким образом в мантию возвращается только дно океана, а не континентальная кора.

Рисунок 13. Поперечное сечение границы между литосферными плитами, где сталкиваются океаническая и континентальная плиты, как происходит, например, вдоль западного побережья Южной Америки. Стрелки показывают относительное движение плит. Океаническая плита пододвигается под континентальную, высвобождая воду по мере нагрева. В горячей мантии над опускающейся плитой начинается плавление, и на поверхности над зоной субдукции (погружения плиты) появляются вулканы. Материал из верхней части океанической коры может попасть в магму.

Как уже отмечалось, литосферные плиты являются фрагментами твердой внешней оболочки Земли — литосферы. Поначалу этот термин может несколько сбивать с толку, поскольку эта оболочка включает и кору, и верхнюю часть мантии, как показано на рисунках 13 и 14. Литосферу выделяют не по химическому составу или типу пород, а по изменению физических свойств: материал, который лежит ниже, близок к температуре плавления и больше похож на мягкий пластик, чем на твердую породу, в то время как сама литосфера относительно тверда (греческое слово λιθος литос означает «камень»). Напротив, граница между корой и мантией определяется резкой сменой типа горных пород, что является следствием процессов плавления, формирующих кору. Толщина литосферы в среднем составляет 80–110 километров — под континентами она может быть значительно толще, у океанических хребтов — намного тоньше. Фрагменты этой оболочки, образующие литосферные плиты, могут иметь разные формы и размеры; они могут включать континентальную или океаническую кору, а зачастую и оба типа (рисунок 14). На границах между плитами могут располагаться океанические хребты, где создается новая литосфера; зоны субдукции, где плиты сталкиваются, и одна ныряет в мантию под другой; иногда просто разломы, когда две плиты скользят мимо друг друга. Относительное движение плит между собой во всех случаях — сталкиваются они, расходятся или скользят мимо — происходит медленно, обычно по несколько сантиметров в год.

Все это описание происходящего на поверхности Земли выглядит просто и понятно: примерно полтора десятка крупных литосферных плит сталкиваются друг с другом, непрерывно обновляются в зонах вдоль океанических хребтов и снова исчезают в зонах субдукции. Но почему эта идея произвела революцию в геологии? Как удалось понять процессы, ранее не имевшие удовлетворительного объяснения?

Рисунок 14. Схема, показывающая взаимосвязь между мантией, корой и литосферой. Континентальная и океаническая кора составлены из пород разных типов и обладают весьма различной толщиной, как показано на рисунке (реальный пример — восточная окраина Северной Америки). Сравните границу между океаном и континентом с такой же границей на рисунке 13, где океаническая литосфера подныривает под континент.

Для полного ответа на эти вопросы потребовалось бы больше места, чем есть в нашей книге, однако, возможно, будет полезным изучить несколько примеров. Рассмотрим, скажем, землетрясения, которые, естественно, были хорошо известны и изучены задолго до появления теории тектоники плит. Землетрясения происходят, когда горные породы сжимаются до точки разрушения, трескаются и перемещаются вдоль какого-то разлома. Большинство землетрясений происходит относительно близко к поверхности, где породы холодные, хрупкие и подвержены растрескиванию; однако сейсмологи давно знали, что существует несколько мест (например, вдоль западной окраины Тихого океана), где зоны землетрясений уходят на сотни километров вглубь планеты. Как такое может происходить, было неясно: ведь на таких глубинах породы мантии должны быть такими горячими, что при толчках они будут течь, а не разрушаться. Тектоника плит дала ответ: глубокие землетрясения происходят в регионах, где холодная хрупкая океаническая литосферная плита опускается в мантию. Давление на эти огромные плиты колоссально, и при медленных перемещениях они так же медленно и нагреваются, оставаясь достаточно холодными, чтобы разрушаться и вызывать землетрясения на глубине до 600 километров и более. По сути, нанося на карту точные места глубоких землетрясений, можно проследить путь литосферной плиты, погружающейся в мантию.

Рисунок 15. Места землетрясений, которые наблюдались между 1963 и 1998 годами (изображены черными точками). Подавляющее большинство происходило вдоль границ между литосферными плитами, что хорошо заметно при сравнении этой карты с рисунком 11. Обратите внимание, что вдоль океанических хребтов идет узкая полоска землетрясений, в то время как при столкновении плит масштабы сейсмичности гораздо больше. (Любезно предоставлено НАСА; авторы карты — Пол Лоумэн-мл. и Брайан Монтгомери).

Карта мира, где отмечено местоположение землетрясений за 35 лет (рисунок 15), показывает, что они четко обрисовывают границы плит; хотя землетрясения происходят не только на границах, но там их концентрация повышается (сравните рисунки 11 и 15). Вдоль океанических хребтов, где плиты расходятся, зона землетрясений узка и четко очерчена: землетрясения происходят на небольших глубинах в ответ на образование разлома в дне океана. Напротив, в местах столкновения плит зоны землетрясений гораздо шире, поскольку огромные напряжения, возникающие в результате столкновений, распространяются по большой территории, и землетрясения идут по всей погружающейся плите, когда она уходит в мантию. Например, в пределах широкой полосы землетрясений вдоль западного побережья Южной Америки глубины землетрясений неуклонно увеличиваются при движении с запада на восток — в соответствии с тем, как Тихоокеанская плита ныряет под континент.

При внимательном взгляде на рисунок 15 можно заметить, что существует несколько областей высокой сейсмической активности за пределами границ литосферных плит. Тем не менее во многих случаях они могут быть напрямую связаны с тектоникой плит: например, в западном и центральном Китае многие разломы, вызывающие землетрясения — это результат изменений континентальной коры после столкновения между Индией и остальной частью Азии, которое произошло много миллионов лет назад (подробнее об этом событии позже). В других областях — например, на востоке Соединенных Штатов — прямая связь с тектоникой плит менее очевидна. Похоже, что эти землетрясения происходят вдоль древних зон ослабления земной коры, которые каким-то образом снова стали активными — возможно, отчасти из-за общих напряжений, передаваемых двигающимися и толкающими плитами. В некоторых других случаях — например, вдоль Восточной Африки — сейсмичность сигнализирует о развивающемся разломе в земной коре, который, возможно, через многие миллионы лет расколет материк на части и создаст новый океанский бассейн.

Большинство землетрясений, удаленных от границ плит, происходит на материках, однако на рисунке 15 виден также изолированный кластер в середине Тихого океана — удаленный и от ближайшего океанического хребта, и от зон субдукции. Как вы уже догадались, это Гавайские острова: землетрясения связаны с протекающей здесь вулканической деятельностью. Подъем магмы под вулканом приводит к разрушению окружающих хрупких пород, заставляя их трескаться и порождать множество небольших землетрясений. Но это ставит еще один интересный вопрос, связанный с тектоникой плит: почему Гавайи вообще существуют? Как и землетрясения, основная часть земного вулканизма ограничена границами между литосферными плитами. И тем не менее, Гавайи в центре Тихоокеанской плиты — это массивная вулканическая структура, а если измерять ее высоту от основания на дне океана, то она окажется вдвое выше Эвереста, если измерять его высоту тоже от его основания до вершины[34].

Канадский геофизик Джон Тузо Уилсон, один из сторонников гипотезы спрединга и тектоники плит, первым понял природу гавайского вулканизма. Когда я был студентом, мне посчастливилось учиться у Уилсона, и этот рослый харизматичный человек быстро и с энтузиазмом рассказывал о тектонике плит. Моя первая встреча с ним произошла на первом году курса физики. Задачи для домашней работы на этом курсе были сложными и многочисленными, однако для облегчения этого бремени у нас проводились семинары, где какой-нибудь аспирант или даже профессор рассматривал вместе с нами эти задания. Однажды к нам пришел Уилсон, который был тогда профессором кафедры физики. «Ваши задания может разобрать кто угодно, — заявил он, — а я хочу рассказать вам о тектонике плит». На целый час мы были зачарованы; хотя нам не помогли с домашним заданием, этот семинар оказался в том году лучшим с большим отрывом. Вскоре после этого я решил изучать геологию.

Уилсон понял, что наземные и подводные вулканы в цепочке Гавайских островов, которая протянулась на две с половиной тысячи километров от «большого острова» Гавайи к северо-западу до самой зоны субдукции, граничащей с Алеутскими островами, постепенно становятся старше при движении на северо-запад. Сейчас активен только остров Гавайи; остальные вулканы в цепочке спят. Уилсон предположил, что все вулканы постепенно формировались, когда двигающаяся Тихоокеанская плита миновала какую-то «горячую точку» в мантии, проходя через неподвижный поток горячего вещества, поднимающегося из глубин Земли[35]. В настоящий момент эта горячая точка находится под островом Гавайи; по мере того, как Тихоокеанская плита постепенно двигается на северо-запад, сегодняшние действующие вулканы уснут, зато сформируется новый остров. Этот процесс уже начался. Океанографы обнаружили большой действующий подводный вулкан к юго-востоку от острова Гавайи. Его вершина находится примерно на 900 метров ниже уровня воды, и появление нового острова ожидается не ранее, чем через десятки тысяч лет. Формирование такой вулканической цепочки можно сравнить с тем, как кто-то подает дымовые сигналы с помощью костра: каждый клуб дыма поднимается и уносится ветром, и в результате в небе образуется длинная горизонтальная цепочка отдельных дымовых клякс. Физика дымовых сигналов и вулканов совершенно разная, однако этот образ вполне нагляден.

Такие горячие точки — неотъемлемая часть теории тектоники плит. Возможно, гавайская цепочка — самый яркий пример, но имеются и другие. С горячими точками связаны многие острова, особенно в Тихом океане: например, Самоа, Таити и Питкэрн. В Атлантике нужно выделить Исландию, где есть несколько вулканов, порожденных горячими точками. Явление не ограничивается океанами. Даже знаменитый гейзер Старый Служака в Йеллоустонском национальном парке в Вайоминге можно проследить до горячей точки: как мы позднее увидим в главе 11, гейзер находится в гигантском вулканическом кратере, образовавшемся в результате мощнейшего извержения 640 000 лет назад, магма для которого поступала из горячей точки.

Какими бы захватывающими ни были вулканы, порожденные горячими точками, основная часть вулканической деятельности происходит на границах плит, особенно вдоль океанических хребтов и над зонами субдукции. Характер вулканизма в этих случаях отличается, и эти различия объясняют заметную особенность топографии Земли — весьма различающуюся среднюю высоту океанского дна и континентальной коры (хорошая иллюстрация того, как теория тектоники плит дает основы для понимания функционирования планеты).

Для многих станет неожиданностью, что большая часть вулканической активности на Земле происходит глубоко в океане и остается незамеченной людьми (кроме ученых). По мере того как дно моря трескается и расходится вдоль океанических хребтов, извивающихся в океанах планеты, вверх поднимаются горячие мантийные породы. Когда они плавятся, получающаяся лава всегда представляет собой базальт — плотную темную породу, богатую железом. Всё дно океана (почти две трети поверхности Земли) состоит из пород этого типа, и колебания в их химическом составе между разными участками очень невелики. Океаническая кора довольно тонка (редко превышает 10–11 километров) и образует верхний слой океанической литосферной плиты. По мере того как литосфера отходит от хребта, она охлаждается, становится еще плотнее и глубже оседает в подстилающие пластичные породы мантии. В результате глубина океана увеличивается — от 2,5 километров над гребнем до примерно 5 километров в самых глубоких местах. Из-за своей высокой плотности океаническая литосфера[36] в конечном итоге снова уходит в глубины Земли в зоне субдукции.

Напротив, породы континентальной коры намного менее плотны. Процессы, которые их создают, сложнее, чем те, что порождают океаническую кору, однако отправной точкой для создания континентальной коры снова является вулканизм. Однако в этом случае вулканическая деятельность идет в зонах субдукции. Почему в этих областях должны быть вулканы? Оказывается, что при погружении литосферной плиты в мантию она увлекает за собой илистые отложения и океаническую кору, насыщенную водой. Эти компоненты (важнее всего тут вода) смешиваются с горячими породами мантии, понижая их температуру плавления и инициируя плавление — подобно тому, как разбрасывание соли на дорогах уменьшает температуру плавления льда и способствует его таянию. Вулканы в зоне субдукции неизменно формируются на поверхности непосредственно над местом, где погружающаяся литосферная плита достигает отметки примерно в 150 километров, что, по-видимому, является критической глубиной для процесса плавления. Лава, которая формирует вулканы зоны субдукции, по сравнению с базальтами океанского дна содержит меньше тяжелых элементов (вроде железа) и больше легких (вроде кремния и алюминия). Таким образом, за долгую геологическую историю тектоническая деятельность, отраженная в различных типах вулканизма, происходящего на океанических хребтах и в зонах субдукции, оказала огромное влияние на нашу планету: она привела к образованию двух весьма несходных типов коры — долгоживущей континентальной коры низкой плотности, которая не тонет из-за своей легкости, и плотной базальтовой коры относительно недолговечных океанических бассейнов, которая непрерывно возвращается обратно в мантию в зонах субдукции.

Это краткое описание формирования земной коры несколько упрощено, особенно в отношении континентальной коры. Не все континентальные породы состоят просто из лав зон субдукции — многие из них переплавились и трансформировались во время горообразования и других геологических явлений. Конечный продукт — континентальная кора, содержащая широкий спектр различных типов горных пород. Как указывалось в главе 2, хорошей аналогией может служить дистилляция, которая дает итоговый продукт, сильно отличающийся от исходного материала. С течением геологического времени эти процессы привели к образованию континентальной коры, которая обычно имеет толщину 30–40 километров, что в несколько раз больше, чем у океанической. Низкая плотность континентальных пород позволяет им «плавать» над плотной океанской корой, которая глубже погружается в твердую, но пластичную мантию.

Поскольку континентальная кора не проходит через процесс субдукции, она в среднем существенно старше, чем океаническая. Самые старые части морского дна расположены по окраинам Атлантического и Тихого океанов: им «всего» примерно 200 миллионов лет, в то время как некоторые части материков ведут счет на миллиарды. Одно из следствий описанных процессов корообразования состоит в том, что материки со временем должны были расти в размерах, и это, безусловно, было верно на ранних стадиях истории Земли. Но даже если континентальная кора не может погружаться в мантию непосредственно, на нее действует эрозия. В далеком прошлом нашей планеты поднимались и рассыпались в пыль крупные горные хребты. Материалы после разрушения в основном попадают на дно океана в виде отложений; когда океаническая плита дойдет до зоны субдукции, большая часть этого материала попадет в мантию (хотя часть «соскребется» и снова окажется на континенте; вот почему альпинисты обнаруживали морские окаменелости на самой вершине Эвереста). Вулканизм зоны субдукции увеличивает объем континентальной коры, а эрозия и субдукция его уменьшают.

Теория тектоники плит не только помогла ученым понять современные геологические процессы, такие как вулканизм и сейсмичность, но и радикально изменила их взгляды на прошлое. До этого крупномасштабные горизонтальные перемещения частей земной коры (подобные тем, что описывал Вегенер в своей теории дрейфа материков) казались невозможными. Сегодня понятно, что они являются естественным результатом тектоники плит. Это не только объясняет, почему породы в Африке и Южной Америке, разделенные тысячами километров океана, кажутся частью одного геологического объекта, но и помогает понять близкое расположение в континентальной коре пород резко различного возраста и разной природы. Тектоника плит постоянно меняет географию океанов и континентов Земли, так что два фрагмента континентальной коры, которые сейчас находятся рядом, могли сформироваться на противоположных краях земного шара. Популярная книга Джона Макфи «Собирая Калифорнию» описывает, каким образом сложная геология западной части Северной Америки составлена из множества различных небольших кусочков континентальной коры, первоначально образовавшихся в отдаленных местах, но в итоге объединенных перемещением плит.

Как это происходило? Один из способов ответить на вопрос — рассмотреть классический пример: столкновение Индии и Азии (здесь взаимодействовали два больших массива суши, а не много мелких, как в случае западной части Северной Америки, но принцип тот же самый). Если посмотреть на мир около 90 миллионов лет назад (реконструкцию можно увидеть на рисунке 27), можно обнаружить, что Индия — отдельный небольшой материк южнее Азии, почти у побережья Африки. Между Индией и Азией лежал океан. Однако океаническая литосферная плита двигалась на север и погружалась под Азию, и вместе с ней в том же направлении двигалась лежащая на плите Индия. В конце концов около 50 миллионов лет назад оба материка соприкоснулись. Породы Индийского континента были слишком легкими и не могли погрузиться, поэтому они стали крошиться и переслаиваться с азиатскими породами, порождая самую высокую горную систему в мире — Гималаи. В результате столкновения были захвачены осадочные породы из океанского бассейна, и некоторые из них вознеслись высоко — отсюда и морские окаменелости на вершине Эвереста. Эти два материка и по сей день продолжают надвигаться друг на друга, и вызванные этим напряжения — причина полосы землетрясений в северной Индии и Тибете (рисунок 15).

Восстановить древнюю географию плит не всегда бывает просто. О столкновении Индии с Азией хорошо известно, поскольку оно произошло относительно недавно. С помощью рисунка магнитных полос на морском дне можно довольно точно отследить движения плит до времен самой древней океанической коры — примерно 200 миллионов лет назад. Этот рисунок известен для океанов всего мира, а возраст полос определили на основании наземных исследований, где такие периодические изменения магнитного поля зафиксированы для последовательностей хорошо датированных лавовых потоков. Сопоставляя наземные данные и океанические полосы, удалось установить точный возраст почти всех частей океанической коры, что дало геофизикам возможность реконструировать размеры и форму океанов (а также относительное положение континентов) в любой момент времени за последние 200 миллионов лет. В научных музеях популярны анимированные изображения этих процессов.

Однако определить передвижение плит в более ранние эпохи гораздо труднее, хотя и возможно. Если вы понимаете тектонику плит и, в частности, знаете характерные типы горных пород и геологические особенности, возникающие в различных тектонических условиях, то можно сделать разумные предположения о размещении материков в докембрии. В частности, в зонах субдукции образуются длинные линейные горные цепи (например, Анды), а когда в этих зонах сталкиваются два континента, появляются еще более впечатляющие массивы (например, Гималаи). Для таких массивов характерны определенные типы горных пород, и это дает возможность расшифровать происхождение древнейших горных хребтов в терминах перемещения литосферных плит. С помощью таких рассуждений ученые показали, например, что Уральские горы в России появились в результате столкновения между континентами — примерно 300 миллионов лет назад Сибирь столкнулась с Восточной Европой; и что Аппалачи на востоке Соединенных Штатов образовались еще раньше в результате серии столкновений между Северной Америкой, частями Африки и несколькими более мелкими фрагментами континентальной коры.

Но как далеко в прошлое мы можем заглянуть с таким анализом? Когда тектоника плит начала действовать в том виде, в котором мы ее сейчас знаем? Геофизики активно обсуждают эти вопросы, и летом 2006 года Геологическое общество Америки организовало конференцию, посвященную им. Встречу провели в Вайоминге, и дискуссии шли не только в конференц-залах, но и в полевых условиях среди древних скал — там, где большинство геологов предпочитает проверять свои идеи. Консенсуса к концу встречи добиться не удалось, однако общее мнение явно сместилось в сторону более раннего, а не более позднего начала тектоники плит. В последующие годы этот сдвиг продолжился.

Поскольку ключевым элементом перемещений плит является субдукция, то надежные подтверждения древней субдукции были бы четким указанием на тектонику плит. Некоторые геологи утверждали на теоретических основаниях, что субдукция в ее современном виде не могла происходить на гораздо более горячей Земле катархейского и архейского эонов. Конвекция в мантии тогда была мощнее современной, литосферные плиты двигались быстрее, а «теплая» океаническая литосфера, возможно, была слишком плавучей, чтобы легко подныривать. Сторонники этой точки зрения указывают, что в древних породах никогда не обнаруживаются некоторые метаморфические минералы, о которых известно, что они образуются в зонах субдукции.

Когда породы морского дна подныривают при субдукции, на них действует огромное давление, однако сами они остаются относительно холодными — в достаточной степени холодными, чтобы трескаться и вызывать землетрясения на больших глубинах, как мы видели ранее. Это означает, что метаморфизм в зонах субдукции относится к определенному типу, который геологи (вполне естественно) называют низкотемпературным метаморфизмом высоких давлений. Одним из диагностических минералов для метаморфизма такого типа является жадеит (часто используют термин жад[37]). Когда в следующий раз увидите красивое ожерелье из жадеита или темно-зеленую статуэтку из него в музее, — благодарите тектонику плит.

Кроме жада, существуют и другие диагностические минералы для низкотемпературного метаморфизма высоких давлений; ассоциации этих минералов обнаружены по всему миру в местах, где в недавнем геологическом прошлом были зоны субдукции. Как ни странно, практически все появления относятся к породам возрастом менее одного миллиарда лет. Причины непонятны, однако мало кто из ученых считает, что этот момент означает начало тектоники плит. Например, существуют породы архейского возраста, которые по геохимическим и геологическим признакам, по-видимому, были частью дуг вулканических островов — а такая схема связана с субдукцией. Сегодня такие дуги (примерами могут служить Алеутские и Марианские острова) образуются при столкновении двух океанических плит, когда одна уходит под другую. Древние кристаллы циркона также свидетельствуют, что условия низких температур и высокого давления, характерные для зон субдукции, возникали более 4 миллиардов лет назад.

Когда Марк Харрисон, геохимик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, работал с коллегами с кристаллами циркона, выделенными из кварцитов Западной Австралии (самыми старыми цирконами в мире), обнаружилось, что некоторые зерна содержат крошечные включения других минералов. С помощью специально созданных инструментов они смогли проанализировать эти включения (обычно около одной десятитысячной сантиметра в поперечнике) и определить температуру и давление, при которых формировался каждый кристалл. Результаты оказались весьма неожиданными. Некоторые из очень старых цирконов возрастом 4–4,2 миллиарда лет образовались при давлениях, соответствующих глубинам 30–50 километров. Эта глубина не особенно велика (зона субдукции заходит и глубже), однако температура, полученная учеными на основании включений, была намного ниже, чем ожидалось для таких глубин, и соответствовала условиям в зоне субдукции. Кроме того, некоторые минеральные включения содержат воду, так что кажется, что еще четыре миллиарда лет назад во время катархейского эона холодный богатый водой поверхностный материал был затянут вглубь Земли — в зону формирования цирконов. Возможно, этот процесс не был субдукцией в том виде, в котором мы знаем ее сегодня, но это было какое-то аналогичное явление, при котором переплавлялась существующая кора.

В 2009 году группа геофизиков из Массачусетского технологического института (МТИ) и Геологической службы Канады обнаружила дополнительные доказательства, что тектоника плит действовала уже на ранних стадиях истории Земли. С помощью методов дистанционного зондирования они сделали снимок того, что, по-видимому, является частью погрузившегося при субдукции дна океана, лежащего на 110 километров ниже нынешней поверхности — у основания кратона Слейв, фрагмента архейской континентальной коры на севере Канады («кратон» — геологический термин для древних платформ, уцелевших фрагментов старой стабильной континентальной коры). Кратон Слейв включает одни из старейших пород Северной Америки, и исследователи оценивают, что субдукция здесь происходила примерно 3,5 миллиарда лет назад.

Таким образом, кажется вероятным, что какая-то форма тектоники плит действовала на Земле на протяжении большей части ее истории. Сегодня тектоника плит дает представление о работе большинства частей нашей динамичной планеты. Кроме того, что мы лучше понимаем вулканы, землетрясения и топографию Земли, она помогает объяснить самые разные вещи: почему залежи нефти и минералов находятся именно в этих местах, почему в Австралии изобилуют сумчатые млекопитающие и даже, возможно, то, почему некоторые ледниковые периоды в истории Земли произошли именно в это время. Почти все мыслимые геологические явления (и, конечно же, почти все, которые обсуждаются в этой книге) так или иначе связаны с тектоникой плит.

Глава 6

Шаткие основания

Калифорния славится многими вещами, и землетрясения — одна из них. В туристических буклетах или в рекламных акциях по продаже недвижимости не упоминается, что на штат приходится примерно три четверти всех оцениваемых рисков землетрясений в Соединенных Штатах. С появлением теории тектоники плит причина стала ясна: через Калифорнию проходит часть границы Тихоокеанской и Североамериканской литосферных плит. Этот конкретный участок границы — не зона субдукции и не центр спрединга. Это разлом — разлом Сан-Андреас, вдоль которого плиты скользят относительно друг друга (рисунок 16). Если не произойдет резких изменений в движении плит, полоса западной части североамериканского материка от южного конца Нижней Калифорнии до Сан-Франциско и далее будет очень медленно двигаться на север к Аляске вдоль разлома Сан-Андреас. Никто из нас не увидит, как пустыни Нижней Калифорнии превратятся в леса умеренного пояса, поскольку это займет десятки миллионов лет. И тем не менее это произойдет — точно так же, как когда-то более 100 миллионов лет Индия отделилась от Антарктиды и поплыла на север, чтобы в итоге врезаться в Азию и выжать вверх Гималаи.

За последние несколько миллионов лет (а вероятно, намного дольше) движение вдоль Сан-Андреаса происходило со скоростью примерно 2–3 сантиметра в год. «Несколько сантиметров в год» — это наглядная мера движения плит, но следует помнить, что это только среднее значение. Во время самого известного из всех калифорнийских землетрясений — великого землетрясения в Сан-Франциско 1906 года — потоки, заборы, трубы и дороги за считанные секунды сместились на три метра и больше. В одном из мест измеренное перемещение составило почти восемь метров. Мгновенно реализовались сотни лет «среднего» передвижения. Однако это перемещение было локальным; вся Тихоокеанская плита одновременно не сдвигалась: видимые признаки смещения грунта проявились вдоль примерно пятисот километров разлома, а дальше с обеих сторон кора осталась прочно соединенной.

Рисунок 16. Слева: гигантский шрам разлома Сан-Андреас, разрезающего Калифорнию — как его видно с воздуха из точки, находящейся примерно посередине между Сан-Франциско и Лос-Анджелесом. Вид на юго-восток: Североамериканская плита слева, а Тихоокеанская справа. (Фото любезно предоставлено Геологической службой США; автор — Р. Уоллес). Справа: след от разлома, идущий по Калифорнии, Стрелки показывают относительное движение плит с обеих сторон.

Научные исследования, проведенные непосредственно после землетрясения в Сан-Франциско, привели к совершенно новой концепции происхождения землетрясений, которая оказывала влияние на исследования и прогнозирование вплоть до нашего времени. Ведущим специалистом, занимавшимся официальным изучением катастрофы, был Генри Рид, профессор геологии из университета Джонса Хопкинса. Он выдвинул теорию о том, что причиной является «упругая отдача». Эта теория привлекает простотой и, не в последнюю очередь, тем, что дает возможность прогнозов. Однако многие геофизики считают теорию упругой отдачи недостаточной для понимания взаимодействий в сложных системах разломов, которые обычно происходят в сейсмически активных регионах.

Идея Рида и его коллег состояла в том, что силы в земной коре (в те годы, когда теории тектоники плит еще не было, происхождение этих сил было неизвестно) постепенно повышали напряжение в разломе Сан-Андреас, затем он не выдерживал, и породы по сторонам рвались, снимая напряжение. Поскольку смещение происходило только вдоль части разлома, Рид посчитал, что этот процесс должен действовать сразу только на один фрагмент разлома. Он предположил, что следующее землетрясение можно предсказать, поставив через разлом линию закрепленных маркеров, отслеживающих его перемещение. Из-за постепенного накапливания напряжения линия маркеров из прямой будет медленно превращаться в нечто вроде вытянутой буквы S, и при определенной кривизне землетрясение станет неизбежным. Одним из логических следствий такой теории было то, что землетрясения на конкретном участке какого-то разлома, подобного Сан-Андреасу, должны происходить примерно через равные промежутки времени и иметь примерно равную мощность.

До недавнего времени теория упругой отдачи была основой для большинства попыток спрогнозировать землетрясения вдоль разлома Сан-Андреас. Вместо идеи Рида о пересекающей разлом линии маркеров исследователи для отслеживания перемещений земной коры используют данные GPS. Однако накопленный корпус данных заставляет предположить, что землетрясения вдоль разлома могут не быть ни регулярными, ни одинаковыми по силе, и что спусковым крючком становятся не только накопленные напряжения, но и внешние механизмы — например, крупное отдаленное землетрясение. Одна из сложностей, влияющих на поведение землетрясений и их предсказание, особенно вдоль границы плит вроде разлома Сан-Андреас, заключается в том, что разломы обычно входят в целую взаимосвязанную сеть. Землетрясение вдоль одного разлома может увеличить нагрузку на другой. Например, на рисунке 16 я изобразил Сан-Андреас в виде одной узкой линии, но на самом деле это широкая полоса с многочисленными отдельными разломами. Вы можете ощутить огромные силы, задействованные при трении плит друг о друга, просто взглянув поближе на породы: они разбиты и раздроблены.

Землетрясения вдоль этих небольших разломов происходят часто, но, к счастью, большинство из них слабы и фиксируются только чувствительными сейсмометрами — средний калифорниец их не чувствует. Крупные же могут ужасать. Существует история (возможно, апокрифическая, но в целом правдоподобная) о геологе, который переехал в Лос-Анджелес из сейсмически спокойной части страны. Этот человек сказал, что с нетерпением ждал возможности оказаться рядом с сильным землетрясением, поскольку так долго о них рассказывал, что хотел бы сам испытать такое. Однажды утром в 1994 году землетрясение в Нортридже, сильно встряхнувшее Лос-Анджелес, бесцеремонно выбросило его из постели. Этого было достаточно: он решил, что будет счастлив, если больше никогда с таким не столкнется.

Что сбрасывает людей с кроватей, рассыпает книги с полок и опрокидывает мосты и дома? Резкие повторяющиеся толчки, которые вызваны сейсмическими волнами, проходящими через твердую Землю и по ее поверхности. Земля буквально трясется. Обычно мы представляем себе волны в жидкости, но в твердых телах они тоже распространяются: если вы как-нибудь ударите кувалдой по очень твердому объекту — например, по скале или стальной болванке — то испытаете неприятное ощущение волн, идущих обратно по молоту и костям ваших рук. Если ваш удар будет достаточно сильным, то эти волны могут даже вызвать зубной скрежет.

Сейсмические волны возникают в том месте, где породы по обе стороны от разлома скользят друг по другу — в так называемом очаге землетрясения, который может быть совсем малой областью, длинным фрагментом разлома или чем-то промежуточным. При этом высвобождается и распространяется большое количество энергии: в целом, чем длиннее скользящий фрагмент разлома, тем больше энергии выделится. Очаг может находиться глубоко в коре или даже (как в зонах субдукции) в мантии, однако обычно место землетрясения характеризуют его эпицентром — точкой на поверхности, лежащей непосредственно над очагом. Во время землетрясения перемещение по разлому может быть горизонтальным, вертикальным или (что бывает чаще всего) сочетанием обоих способов. Землетрясение в Нортридже было таким разрушительным, в частности, по той причине, что присутствовали быстрые вертикальные перемещения: сейсмические волны заставляли почву в Лос-Анджелесе резко двигаться вверх-вниз и из стороны в сторону.

Поскольку сильные землетрясения могут нанести огромный ущерб и унести тысячи и даже сотни тысяч жизней, геофизики давно искали способы точно их предсказывать. Первой попыткой была теория упругой отдачи Генри Рида. Однако она базировалась на информации от одного землетрясения, а чтобы по-настоящему понять механизм землетрясения (что и является необходимой предпосылкой для прогнозов), нужны исчерпывающие данные по многим таким катаклизмам в различных геологических условиях. Даже в сейсмически активных регионах крупные разрушительные землетрясения происходят достаточно редко, и исторические данные дают лишь ограниченную информацию. Поэтому самым важным источником информации оказывается геологическая летопись — подсказки, хранящиеся в горных породах. Но в отличие от многих других геологических явлений, землетрясения не оставляют следов, уводящих далеко в прошлое, а расшифровка немногих сохранившихся свидетельств действительно трудна. Почти на всех геологических картах есть разломы — большие и маленькие, активные и неактивные. Они встречаются почти всюду в земной коре и запечатлевают смещение одного участка относительно другого в самых разных масштабах — от нескольких сантиметров до нескольких километров. Все эти перемещения, вероятно, сопровождались землетрясениями, однако часто невозможно определить, когда они произошли и насколько сильными были: последний крупный катаклизм вдоль разлома может стереть свидетельства более ранних и более мелких землетрясений. Трудности с извлечением информации о землетрясениях из геологических данных подтолкнули геофизиков к разработке некоторых весьма творческих подходов.

Первая изобретательная идея — метод балансирующих камней. В 1996 году геофизик Джим Брюн выдвинул предположение, что интенсивность прошлых землетрясений на одном участке разлома Сан-Андреас можно оценить, изучая то, что он назвал «балансирующими камнями» в пустыне Мохаве и прилегающих районах. Камни, о которых говорит Брюн, поражают воображение (рисунок 17): кажется, что их можно опрокинуть легким толчком. Однако внешность обманчива. Чтобы сбросить такую глыбу, нужна большая сила, а сухой климат, где эрозия обычно происходит медленно, гарантирует, что такое хрупкое равновесие сохранится в течение долгого времени. Если мы оценим, какой силы сотрясение нужно, чтобы сбросить эти камни с пьедесталов, и проведем датировку, чтобы узнать, сколько времени они находятся в нынешнем положении, то сможем кое-что узнать о промежутке времени, прошедшем с момента последнего разрушительного землетрясения. Так ученые получают возможность установить верхний предел для силы любого произошедшего с тех пор землетрясения. У этого подхода есть критики, поскольку идея с балансирующими камнями основана фактически на отрицательных свидетельствах: мы наблюдаем только сохранившиеся камни и не знаем, сколько подобных скал упало во время произошедших землетрясений. И тем не менее Брюн и его коллеги провели достаточное количество измерений, чтобы получить ключ к интенсивности крупнейших землетрясений за многие тысячи лет, что трудно установить по большинству других видов геологических свидетельств.

Очевидно, что метод балансирующих камней можно применять только там, где такие камни существуют, а это означает, что его применимость сильно ограничена. Чаще всего геологические свидетельства землетрясений сохраняются в виде нарушений осадочных отложений — смещенный слой почвы, нарушение в озерных отложениях или внезапная смена типа отложений в прибрежной лагуне. Чтобы выявить вертикальный профиль нарушений в таких отложениях, ученые часто используют аккуратно сделанные траншеи рядом с активными разломами или поперек них. В благоприятных случаях таким образом можно зафиксировать несколько прошлых землетрясений, а если с помощью какого-нибудь метода (например, радиоуглеродного датирования) можно установить возраст потревоженных слоев, то можно рассчитать и интервалы повторяемости землетрясений.

Однако прогнозы, основанные на геологических данных, не отличаются точностью. Они не скажут нам, что какое-то крупное землетрясение произойдет в октябре 2028 или в апреле 2030 года. Обычно они формулируются в вероятностных терминах: существует 50-процентная вероятность, что сильное землетрясение случится в какой-то момент в течение следующих 30 лет. Но даже такая информация имеет ценность для заинтересованных лиц: возможно, прогноз такого рода не помешает вам купить дом в привлекательном для вас месте, которое входит в зону возможного землетрясения, но он, вероятно, заставит вас позаботиться, чтобы этот дом (и школа ваших детей) оказались максимально сейсмостойкими. А также, возможно, убедит вас озаботиться страховкой от землетрясения.

Рисунок 17. Один из балансирующих камней, которые изучали Джим Брюн с коллегами. Эта скала находится в особой зоне отдыха Форт-Сейдж, расположенной вдоль границы Калифорнии и Невады примерно в 70 километрах к северу от Рино (Невада). (Фото Джима Брюна).

Возможно, наилучший способ исследовать характеристики землетрясений — сосредоточиться на нескольких примерах, изучая известные о них и их последствиях сведения, и искать в геологической летописи подсказки, которые могли бы предупреждать нас о таких событиях в будущем или хотя бы указывать на вероятность аналогичных землетрясений. В последнем случае интересно ожидаемое землетрясение в северо-западной части Северной Америки. Конечно, в будущем произойдет множество землетрясений, однако несколько лет назад большое внимание СМИ привлекла потенциальная возможность сильного землетрясения на северо-западе — когда ученые обнаружили данные, свидетельствующие о происходивших когда-то мощных землетрясениях в этом районе, хотя в исторические времена ничего подобного не фиксировалось. Эта история широко освещалась, и я писал о ней подробно в предыдущей книге «Часы природы», поэтому сейчас изложу ее только кратко.

Серьезная озабоченность по поводу вероятности землетрясения на северо-западном побережье американского материка возникла в 1987 году, когда Брайан Атуотер, работник Геологической службы Соединенных Штатов из Сиэтла, опубликовал доказательства, что за последние семь тысяч лет в этом регионе произошло минимум шесть очень сильных землетрясений. Атуотер обнаружил, что эти землетрясения резко опускали части береговой линии в штате Вашингтон ниже уровня моря: об этом свидетельствует мертвая прибрежная растительность (в том числе целые «затонувшие леса»), погибшая, когда корни растений были внезапно затоплены морской водой. В некоторых местах Атуотер нашел также слои крупного песка, полностью покрывшего мелкий ил внезапно погрузившихся под воду прибрежных болот. Оказалось, что этот песок принесли волны цунами, связанные с землетрясениями.

Работа Атуотера попала в заголовки прессы, поскольку этот регион не считали особо сейсмически активным. Да, землетрясения происходят, но в основном слабые. Упоминаний о сильных разрушительных катастрофах нет в письменных документах вплоть до первых поселенцев. Однако рядом с побережьем есть зона субдукции (геологи назвали ее зоной субдукции Каскадия), которая говорит таким ученым, как Атуотер, о потенциальной возможности сильного землетрясения. Хотя зоны субдукции — место сильных землетрясений по всему миру, северо-западная часть тихоокеанского побережья почему-то выглядела исключением. Предполагалось, что это связано с необычным характером этой конкретной зоны субдукции. Литосфера, которая погружается здесь вглубь, является частью плиты Хуан-де-Фука (рисунок 11) — небольшой молодой плиты, которая сформировалась в каком-то центре спрединга, расположенном недалеко от побережья. Плита, все еще «теплая» после образования на океаническом хребте и потому относительно плавучая, проскальзывает под Северную Америку под небольшим углом, а не ныряет круто в земную мантию. Возможно, это каким-то образом препятствует ее «заклиниванию» и возникновению сильных напряжений, что в свою очередь объясняет причины того, что при скольжении плит возникают только слабые землетрясения, а по-настоящему сильные — не происходят.

Однако геологические данные, собранные Атуотером, показали, что в сейсмической активности вдоль зоны субдукции Каскадия нет ничего необычного. В недалеком прошлом здесь были сильные землетрясения магнитудой 8 и больше. Самое последнее датируется январем 1700 года, когда поселенцев здесь еще не было. Оно несет ответственность за некоторые затопленные прибрежные леса штата Вашингтон и почти наверняка стало источником хорошо задокументированного цунами, которое обрушилось в то время на Японию. Исследования Атуотера стали тревожным сигналом для региона, поскольку показали, что при долгосрочных стратегиях планирования нельзя опираться только на недавний опыт. Сильные землетрясения в этом районе побережья неизбежны, а катаклизм в зоне Каскадия сегодня нанес бы огромный ущерб таким городам, как Сиэтл, Портленд и Ванкувер. Он также может вызвать волны цунами, которые посеют хаос по всему побережью. К сожалению, несмотря на большое количество исследований, проведенных после первоначальной работы Атуотера, геологические данные все еще не дают надежной основы для прогноза, когда именно случится следующая катастрофа. В прошлом землетрясения происходили с неодинаковыми интервалами, а геологическая летопись насчитывает всего шесть или семь тысяч лет. Единственный вывод, который можно сделать — то, что существует очень высокая вероятность того, что в течение следующей тысячи лет в этом регионе произойдет еще одно сильное землетрясение. Возможно, в какой-то момент появятся предвестники землетрясения: быстрые изменения высоты, свидетельствующие о нарастании напряжения в земной коре и литосфере.

Мощность землетрясений, не зафиксированных в письменных источниках, можно оценить только по свидетельствам в геологической летописи — по степени смещения вдоль какого-нибудь разлома или на основании данных о протяженности территории, на которой оказалась катастрофа. Землетрясения, обнаруженные Брайаном Атуотером в северо-западном регионе, можно с уверенностью именовать сильными на основании подобных данных (включая тот факт, что они вызывали цунами). Однако в современном мире мощность землетрясения можно гораздо точнее измерить с помощью сейсмометров.

Один из способов измерить силу землетрясений — шкала Рихтера, разработанная в 1930-х годах американским сейсмологом Чарльзом Рихтером. Метод Рихтера был создан специально для землетрясений в Калифорнии и основан на реакции сейсмографа определенного типа. Шкала логарифмическая, то есть одна единица шкалы означает десятикратное изменение интенсивности: землетрясение силой 6,5 оказывается примерно в десять раз более разрушительным, чем землетрясение в 5,5. Однако оказалось, что первоначальный метод Рихтера не очень хорош для точного определения энергии, выделяющейся при сильных землетрясениях[38]. Сегодня слова «шкала Рихтера» употребляют редко: обычно говорят о магнитуде землетрясения[39]. Однако с практической точки зрения разница между старой и новой версиями невелика. Землетрясение магнитудой 2,3 — по-прежнему слабое, с магнитудой 5,6 — по-прежнему среднее, а с магнитудой 8,5 — очень сильное, и такие землетрясения нередко называют суперземлетрясениями или мегаземлетрясениями. Конца у шкалы Рихтера и ее преемника нет, однако землетрясения магнитудой более 8 (к счастью) редки. По данным Геологической службы США, самое сильное из зарегистрированных землетрясений, которое произошло в 1960 году в зоне субдукции у берегов Чили, имело магнитуду 9,5.

Одно из самых разрушительных землетрясений последних лет — с магнитудой 7,9 — произошло 12 мая 2008 года в китайской провинции Сычуань. Китай имеет долгую историю сильных землетрясений и создал активную национальную программу по отслеживанию разломов и оцениванию риска землетрясений. Страна также является центром международных исследований в области сейсмологии. Несмотря на это, Сычуаньское землетрясение удивило специалистов, поскольку произошло вдоль разлома, который, казалось, представлял лишь небольшую опасность перемещения — или как минимум перемещения в таких масштабах. Это напомнило ученым, как трудно точно предсказывать такие явления. Катастрофическое землетрясение, обрушившееся на Гаити в январе 2010 года, тоже ясно показало, что эти бедствия не всегда появляются там, где их можно ждать.

Сычуаньское землетрясение произошло в центре Китая, вдали от ближайшей границы литосферных плит. Аналогично и другие китайские землетрясения в основном удалены от краев плит. И тем не менее, именно тектоника плит — наилучший способ понять основную природу сейсмичности в этой стране. При некотором воображении источник китайских землетрясений можно проследить на 200 миллионов лет назад до огромного континента Гондвана, который состоял из всех современных южных континентов, собранных в единый массив суши. Гондвана распадалась постепенно, и примерно 130 миллионов лет назад Индия отделилась от того, что сейчас называется Антарктидой, и начала медленно перемещаться на север в сторону Азии. Как описано в предыдущей главе, это привело к столкновению массивов суши около 50 миллионов лет назад. Однако в результате столкновения Индийская плита не остановилась совсем: как показывают данные GPS, она по-прежнему вдвигается в Азию примерно на 5 сантиметров год. Вдоль по дуге гималайского фронта, отмечая границу между плитами, проходят гигантские разломы, и сильные землетрясения вдоль этих разломов время от времени снимают напряжение от столкновения.

Напряжение рассеивается и другими способами. Продвигаясь все глубже в Азию, Индия не только сминала и превращала в высокие горы породы континента: она также сдвигала на своем пути крупные участки территории Азии, толкая их к востоку вдоль сети разломов, которые сегодня пересекают юго-восточную Азию и Китай. Такое медленное вытеснение на восток можно сравнить с выдавливанием зубной пасты из тюбика.

Сычуаньское землетрясение было слабой реакцией земной коры на такое вытеснение на восток, хотя для людей оно оказалось весьма большим потрясением. В районе, где произошло землетрясение, породы Тибетского нагорья, перемещающиеся на восток вследствие столкновения, выталкиваются вверх относительно твердой коры Сычуаньской впадины (рисунок 18). Вдоль границы между этими двумя типами коры проходит сеть разломов и наблюдается резкое изменение высоты: перепад высот от вершин нагорья до низменной Сычуаньской впадины является одним из самых больших на Земле. Ясно, что для того, чтобы поддерживать такое неравновесное состояние, нужны огромные геологические силы.

Сычуаньское землетрясение произошло на разломе Бэйчуань — одном из нескольких разломов, идущих по границе между этими фрагментами земной коры. Хотя в прошлом вдоль разлома происходили и другие землетрясения, ни одно из них не было таким сильным, как случившееся в 2008 году. Город Бэйчуань, расположенный прямо у разлома, существует 1500 лет, но ни разу не был разрушен. До 2008 года казалось, что беспокоиться по поводу этого разлома незачем; китайские исследователи тратили время и деньги на другие, более активные разломы, которые в основном также в конечном итоге связаны со столкновением между Индией и Азией.

У землетрясения 2008 года не оказалось никаких явных предвестников. Потом некоторые люди говорили, что видели перед толчками много жаб, однако, несмотря на множество свидетельств, ученые так и не обнаружили какой-либо четкой связи между поведением животных и надвигающимися землетрясениями, которая оказалась бы полезной для прогнозирования. Вполне возможно, что земноводные в Сычуани были всего лишь предвестниками весны, и в 2008 году прыгающих жаб было не больше, чем в любой другой год.

Сычуаньское землетрясение показало, что в наших знаниях о землетрясениях есть масса серьезных пробелов. Одна из причин того, что разлом Бэйчуань считался относительно безобидным — то, что он состоял из набора коротких фрагментов. На поверхности не было никаких свидетельств, что во время прошлых землетрясений скольжение происходило одновременно в нескольких частях, а короткие разломы особенно сильных землетрясений не вызывают. Однако видимые разрывы на поверхности от землетрясения 2008 года растянулись почти на 250 километров и охватили несколько отдельных фрагментов; теперь считается, что такие отдельные поверхностные фрагменты плохо отражают сплошную природу разлома, проходящего в земной коре. Поэтому сильные землетрясения вдоль разлома гораздо более вероятны, чем считалось ранее.

Рисунок 18. Вверху: место Сычуаньского землетрясения 2008 года к северо-западу от города Чэнду; оно обозначено звездочкой. Маленькие стрелки показывают перемещения земной коры, когда ее выдавливает к востоку в результате столкновения между Индией и Азией. Внизу: поперечное сечение, показывающее контакт Тибетского нагорья и Сычуаньской впадины вдоль разлома Бэйчуань. Маленькие стрелки указывают относительное перемещение по разлому; есть и горизонтальное перемещение, но оно не показано. (Основано на неопубликованной диаграмме; авторы диаграммы: Б. Берчфилд, Л. Ройден и Р. Д. ван дер Хилст; публикуется с разрешения).

Область вокруг разлома Бэйчуань сейчас находится в центре внимания китайских и иностранных геологов. Хотя землетрясение 2008 года сбросило напряжения, которые накапливались в течение сотен или даже тысяч лет, исследователи обнаружили, что оно, возможно, также увеличило нагрузку на соседние разломы, способствуя дальнейшим землетрясениям. Может оказаться, что Сычуаньское землетрясение увеличило вероятность возникновения еще одной катастрофы магнитудой 7 или больше вдоль какого-нибудь другого разлома в этом регионе. Это, а также аналогичные результаты в других сейсмических зонах, отчасти являются причиной того, что некоторые геофизики с сомнением относятся к возможностям теории упругой отдачи предсказывать новые бедствия.

Многие специалисты также предупреждали, что в своем стремлении восстановить разрушенные постройки после Сычуаньского землетрясения государственные органы, возможно, не учитывают урок, который должны были извлечь из прошлых землетрясений по всему миру: большая часть ущерба от землетрясений вызвана не самим толчками (их можно в некоторой степени смягчить строгим соблюдением строительных стандартов), а местными геологическими условиями. В случае Сычуаньского землетрясения эти условия включают возможность оползней — неотъемлемую опасность местного крутого рельефа. В частности, если землетрясения происходят в сезон дождей, они могут потенциально нарушить устойчивость крутых склонов, и тогда фрагменты горных пород направятся в густонаселенные долины. При восстановлении зданий нужно учитывать не только свойства самих построек, но и место их расположения.

Несмотря на то, что сила Сычуаньского землетрясения стала для китайцев неожиданностью, жители центрального Китая и других сейсмически активных мест мира знают об этих бедствиях не понаслышке. А вот жители американского Юга в начале 1800-х годов меньше всего ожидали, что им в буквальном смысле предстоит испытать сногсшибательные толчки. Начиная с конца 1811 года здесь внезапно произошла серия мощных землетрясений. К счастью, они прошли в малонаселенной местности, и число жертв оказалось умеренным. Однако сейсмические волны хорошо ощущались и существенно изменили ландшафт.

Толчки начались 16 декабря 1811 года и продолжались время от времени больше года. Судя по свидетельствам очевидцев и размеру известных повреждений, между декабрем 1811-го и февралем 1812-го произошло минимум три отдельных землетрясения магнитудой от 7,5 до 8. Каждое из них, вероятно, было таким же сильным, как землетрясение в Сан-Франциско в 1906 году. В течение этих трех месяцев и после них регион сотрясали также более слабые, но все же серьезные толчки. Их общее название — землетрясения Нью-Мадрида — дано по городку Нью-Мадрид (штат Миссури) на реке Миссисипи, который сильно пострадал.

В начале XIX века — без радио, телевидения и интернета — новости распространялись медленно. Тем не менее подробные сведения об этих землетрясениях появились довольно быстро, поскольку Миссисипи уже тогда была оживленной рекой, а Нью-Мадрид — оживленным портом, через который часто проходили речные суда, доставлявшие в числе прочего и новости. Кроме того, землетрясения ощущались на значительной территории американского Юга. Газеты, выходившие зимой 1811–1812 года, полны писем корреспондентов, описывающих свои собственные наблюдения или наблюдения друзей. Как всегда, толпа жаждала узнать о стихийном бедствии больше.

Возможно, некоторые сообщения преувеличены, но в целом они похожи на серьезные попытки описать происходившее. Это реальное отражение той эпохи, и их интересно читать. В письме одного жителя местечка Вест-Ривер (штат Мэриленд), опубликованном в Pennsylvania Gazette (газете, выходившей в Филадельфии), так описывается звук, сопровождавший одно из сильных землетрясений января 1812 года: «Похоже на звук горячего железа, брошенного в снег, только намного громче и ужаснее». Из Louisiana Gazette мы узнаем от другого корреспондента, что звук, сопровождавший первое землетрясение, первоначально был похож на далекий шум «нескольких экипажей, проезжающих по мостовой», но затем превратился в гораздо более громкий «подземный гром». Тот же автор дает множество дополнительных деталей: описывает температуру во время толчков, туманную дымку в атмосфере, необычную погоду в том году, а затем переходит к подробному описанию характеристик нескольких небольших афтершоков[40]. «При наблюдении за поразительными событиями, — пишет он, — вероятно, не следует считать маловажными никакие сопутствующие обстоятельства; это событие в высшей степени поразительно, и точная фиксация признаков в подобных случаях может послужить науке». Я уверен, что, если бы этот человек жил в наше время, он был бы заядлым блогером.

Другие сообщения отмечают маятниковые часы, остановившиеся после толчка, звонящие церковные колокола, опрокидывание дымовых труб, появление больших трещин в земле, исчезновение небольших островков на Миссисипи и тошноту людей в раскачивающихся зданиях. Множество мнений высказывалось по поводу причин этих землетрясений. Одни считали причиной «подземный огонь», другие — некий «электрический флюид» внутри Земли. Появилось предположение о наличии связи с отдаленными вулканическими событиями в Андах. Одно из моих любимых предположений появилось тоже в Louisiana Gazette и обращалось к большой комете, заметной осенью 1811 года: «Комета двигалась на запад с момента прохождения своего перигелия — возможно, она коснулась горы в Калифорнии, что и потрясло слегка эту сторону земного шара». Разумеется, появились и заявления о божественной каре. Один автор утверждал, что землетрясение почти разрушило город Натчез (первую столицу территории Миссисипи, а потом и штата Миссисипи), потому что, как он выражался, тот был местом «безнравственности и отсутствия порядочности».

Даже в разгар хаоса не все теряли чувство юмора. Один человек, путешествовавший по Миссисипи, сообщал: «В Нью-Мадриде… царил ужас; среди жителей преобладали смятение, страх и неразбериха». Однако посреди этого страха и неразберихи один из горожан писал другу:

Один джентльмен, от которого я ожидал более здравых суждений, говорит, что эти «судороги» происходят от того, что наш мир вошел с луной в соприкосновение; и что толчки повторяются всякий раз, как они сталкиваются друг с другом. Внешний вид луны вчера вечером обрушил состояние его духа так же, как землетрясение обрушило мой дымоход. Другой человек с весьма серьезным лицом говорил мне вчера, что не на шутку перепугался, решив, что, когда его выкинуло из кровати, — начался Судный день, но потом немного поразмыслил и решил, что Судный день вряд ли бы наступил ночью.

Спустя двести лет после той катастрофы район Нью-Мадрида по-прежнему остается центром сейсмической активности, хотя нынешние землетрясения и слабы. Тем не менее, юго-восточная часть США находится далеко от границ плит, и не существует никакого процесса, эквивалентного выдавливанию земной коры в Китае, который бы мог связать землетрясения в Нью-Мадриде со столкновением плит. Как же тогда их объяснить? И есть ли серьезная вероятность, что в будущем этот регион снова столкнется с подобным катаклизмом? Оба эти вопроса в последние десятилетия активно изучали, и большинство геофизиков считают, что ответ на второй вопрос — категоричное «да». Правительства штатов, входящих в регион, приняли это к сведению и создали организацию для информирования общественности об опасностях землетрясений и распространению знаний о мерах безопасности.

Эти образовательные усилия получили неожиданный, но, возможно, не особо желательный импульс, когда биолог-пенсионер Айбен Браунинг заявил, что с вероятностью в 50 % в первых числах декабря 1990 года в Нью-Мадриде произойдет разрушительное землетрясение. По вычислениям Браунинга, в эти дни гравитационные силы Луны и Солнца будут максимальными и смогут вызвать катастрофу. Его предсказание вполне предсказуемо привлекло пристальное внимание прессы, и, несмотря на скептическое отношение геофизиков, за ним последовал всплеск безумной суматохи. Закрывались школы, не работали магазины, в Нью-Мадрид приехали съемочные группы телевидения. Самые обеспокоенные жители покинули город. Однако ничего не произошло, и разочарованные — или, возможно, обрадованные — съемочные группы свернули оборудование и уехали. В сети питания Tom’s Grill в центре Нью-Мадрида упал спрос на «сейсмические гамбургеры» с трещиной посередине.

До Святого Грааля точных краткосрочных прогнозов землетрясений еще далеко, и случай Браунинга иллюстрирует, почему большинство геофизиков опасается что-то предсказывать. Даже прогнозы с небольшой научной достоверностью можно раздуть сверх всякой меры. Однако организации, занимающиеся отслеживанием землетрясений, выдают прогнозы в терминах вероятности. На основании последних исследований Геологическая служба США предсказывает, что вероятность сильного землетрясения в районе Нью-Мадрида, аналогичного тем, что произошли в 1811–1812 годах, составляет 7–10 % для последующих 50 лет. Иными словами, есть примерно один шанс из десяти, что за ближайшие 50 лет в регионе произойдет потенциально весьма разрушительное землетрясение. Если же говорить о землетрясениях магнитудой 6, то вероятность такого события возрастает до 25–40 %. Такие заявления звучат далеко не так тревожно, как у Браунинга, и не привлекают десятки съемочных групп, однако у жителей юго-востока США есть все основания воспринимать их всерьез. Даже землетрясение магнитудой 6 может привести к серьезному ущербу, и, хотя большинство американцев считают сейсмической столицей страны Калифорнию, жители нескольких штатов вдоль Миссисипи подвергаются примерно такому же риску, что и население Сан-Франциско.

Из-за силы и удаленности от границ плит землетрясения в Нью-Мадриде стали хрестоматийным примером внутриплитных землетрясений. Годы исследований пролили свет на геологические условия и дали представление о том, как и почему они происходят. Тем не менее, в мире есть места с аналогичной геологией, которые не отличаются сейсмической активностью, и причины таких различий неизвестны. В 1996 году авторы длинной и подробной научной статьи о землетрясениях в Нью-Мадриде цитировали Уинстона Черчилля, который сказал о России: «Это загадка, завернутая в тайну внутри головоломки». Несмотря на значительный прогресс в нашем понимании событий в Нью-Мадриде, эта загадка еще не раскрыта до конца.

Известно, что землетрясения 1811–1812 годов связаны с древней рифтовой долиной — огромным рубцом в земной коре, лежащим глубоко под поверхностью. Он появился несколько сотен миллионов лет назад, когда тектонические силы почти разорвали континент на части, но все же не преуспели. Однако в ходе этого процесса, сопровождавшегося вулканической активностью, образовался широкий разлом, который называется рифт Рилфут.

Сегодня на поверхности явных признаков рифта Рилфут не наблюдается. Его наличие под сейсмической зоной Нью-Мадрид известно по данным дистанционного зондирования, которые показывают, что разлом погребен под осадочными породами толщиной в несколько километров. Длина рифта — около 300 километров, ширина — около 80 километров (рисунок 19). Большинство зарегистрированных в этом регионе землетрясений попадает в эти границы; как правило, они происходят на глубине 3–12 километров. По мнению большинства специалистов, такое соответствие между местами толчков и рифтом означает причинно-следственную связь. Город Нью-Мадрид находится непосредственно на краю скрытого рифта.

Но почему объект в центре литосферной плиты возрастом свыше полумиллиарда лет должен порождать землетрясения сегодня или двести лет тому назад? Одно из последних предположений заключается в том, что рифт «заново активировался» спустя многие годы после своего образования, когда он прошел над какой-то горячей точкой в мантии около 90 миллионов лет назад. Эта интересная идея возникла, когда Рой Ван Арсдэйл и Рэндел Кокс из Мемфисского университета поняли, что Бермудская горячая точка (названная так потому, что предположительно ответственна за вулкан, образовавший Бермудские острова) в то время находилась под южной частью территории Соединенных Штатов.

Рисунок 19. Местоположение скрытого рифта Рилфут в юго-восточной части Соединенных Штатов на основании данных дистанционного зондирования. Сегодня большинство землетрясений в регионе Нью-Мадрида происходит в зонах, закрашенных серым цветом.

Геологи давно знали, что эта часть североамериканского материка 90 миллионов лет назад вздымалась полуторакилометровыми горами, и здесь шла вулканическая деятельность. Затем горы разрушились, весь регион опустился ниже уровня моря, и на затопленной океанической коре накопилось несколько километров морских отложений. Такой подъем и последующее проседание согласуются с прохождением этой области над горячей точкой мантии.

Некоторые геологи скептически относятся к идее Ван Арсдэйла и Кокса, поскольку сомневаются в реальности Бермудской горячей точки. В настоящее время нет активных вулканов, с нею связанных, и существуют лишь очень нечеткие следы потухших вулканов, отмечающих движение Североамериканской плиты над нею. Однако геологические свидетельства наличия вулканической деятельности в районе Нью-Мадрида примерно 90 миллионов лет назад неоспоримы, как неоспоримы и свидетельства вздымания земной коры вверх с последующим опусканием — каковы бы ни были их причины. Такая активность, безусловно, могла привести к возобновлению активности разломов, связанных с первоначальным созданием рифта. Возможно, свою роль в возобновлении активности сыграли события последних нескольких миллионов лет — повторяющееся увеличение и уменьшение нагрузки на североамериканскую кору из-за ледников плейстоценового ледникового периода. Из истории крупных прошлых и слабых современных землетрясений ясно, что разломы в регионе рифта Рилфут представляют собой слабые места в земной коре и склонны к перемещениям при устойчивом напряжении в пределах Североамериканской плиты.

Недавние GPS-измерения показывают, что напряжение в регионе рифта Рилфут является сжимающим — разлом с обеих сторон сдавливается. Они также показывают, что за последние двадцать лет перемещения пород в регионе неуклонно уменьшаются; это побудило одну группу исследователей высказать предположение, что накопленная деформация уменьшается, а риск землетрясений снижается. Однако большинство специалистов не разделяет эту точку зрения. Геологическая служба США придерживается своего прогноза — в течение следующих 50 лет с вероятностью 7–10 % здесь состоится сильное землетрясение. К тому же данные геологической летописи показывают, что в прошлом здесь неоднократно происходили сильные землетрясения после длительных периодов затишья.

Откуда мы знаем об этих более ранних землетрясениях? Сейсмическая зона Нью-Мадрида расположена в широкой пойме реки Миссисипи, и весь этот регион покрыт накопившимися за тысячелетия глиной, песком и илом, которые откладывались во время наводнений. Если такой материал встряхивать (как это было во время землетрясений 1811–1812), он разжижается — превращается в основном в суспензию небольшой прочности. Это регулярно происходит, когда землетрясения случаются в районах с рыхлыми, илистыми, богатыми водой отложениями: результатом такого разжижения было обрушение кранов, доков и других портовых сооружений в Порт-о-Пренсе на Гаити при землетрясении магнитудой 7 в январе 2010 года. Во время землетрясений в Нью-Мадриде разжижение привело к «песчаным выбросам» — небольшим вулканоподобным извержениям, когда в воздух выбрасывалась взвесь песка и грязи. Один свидетель утверждал, что видел грязь, песок, воду и уголь, подброшенные на «тридцать ярдов в высоту»[41]. Отложения, образованные такими песчаными выбросами (иногда метровой толщины и до тридцати метров в диаметре), можно найти и сегодня, и когда геологи начали их датировать и наносить на карту, они обнаружили, что некоторые из них гораздо старше землетрясений 1811–1812. Определение возраста отложений, порожденных такими выбросами (практически все они лежат в области над рифтом Рилфут), показывает, что за последние четыре тысячи лет в этом регионе случилось минимум четыре крупных землетрясения.

Несмотря на огромное количество работ, посвященных механизмам землетрясений и событиям в таких местах как сейсмическая зона Нью-Мадрида, зона вдоль разлома Сан-Андреас и сейсмические зоны в Японии, Китае и Индии, прогнозирование землетрясений остается трудной задачей. На сегодняшний день всего один прогноз оказался успешным — в том смысле, что он появился незадолго до серьезного землетрясения и позволил местным властям подготовиться. Однако, хотя в этом случае и имелись явные предвестники бедствия, возможно, отчасти роль сыграла и простая удача.

Этот прогноз был сделан в 1975 году в Китае для окрестностей города Хайчэн на востоке страны. В то время в Хайчэне проживало около миллиона человек, и власти обеспокоились тем, что в течение нескольких месяцев увеличивалось число мелких землетрясений. Поступали сообщения о поднятии грунта и об изменениях уровня грунтовых вод. Затем частота мелких землетрясений резко возросла и власти приняли решение об эвакуации города. Это был смелый шаг, потому что повышение сейсмичности предшествует лишь небольшой доле крупных землетрясений, однако он оправдался: на следующий день землетрясение магнитудой 7,3 практически полностью разрушило город. Времени было мало, и не всем удалось спастись — погибло около тысячи человек. Однако без эвакуации потери были бы гораздо больше.

Возможно, точный прогноз землетрясения в Хайчэне был счастливым случаем, но он иллюстрирует важность подготовки для сведения к минимуму человеческих бедствий. Даже если катастрофу нельзя предсказать точно, очень важно просто знать о высокой вероятности беды — основываясь, возможно, на геологических данных о прошлых землетрясениях, GPS-измерениях перемещений суши, количестве слабых толчков или множестве других факторов. В таких местах как Япония и Калифорния, власти, осознавая угрозу, ввели строгие строительные нормы и правила для повышения сейсмобезопасности и регулярно проводят учения, чтобы население и аварийные службы знали, что делать при ударе стихии (большинство школьников в Калифорнии точно знают, что делать в случае подземных толчков, даже если их родителям это неизвестно). Такие меры значительно сокращают число погибших и пострадавших, а также уменьшают ущерб для зданий и инфраструктуры. Когда строгих строительных норм нет, а подготовка людей ведется бессистемно — удручающе обычная картина для многих сейсмически опасных регионов планеты — то даже умеренные и умеренно сильные землетрясения могут нанести большой вред[42]. В апреле 2009 года землетрясение магнитудой 6,3 около итальянского города Акуила унесло жизни примерно трехсот человек, десятки тысяч людей остались без крова. Один итальянский чиновник позже прокомментировал, что землетрясение аналогичной силы в Калифорнии, вероятно, не привело бы к гибели людей, а ущерб оказался бы минимальным.

Пусть пока нереально делать точные долгосрочные прогнозы о землетрясениях, но с помощью современных технологий можно давать краткосрочные предупреждения, которые помогут смягчить последствия стихии. Благодаря сетям сейсмометров, подключенным к высокоскоростным компьютерам, можно обнаружить и проанализировать первые сейсмические волны, определить эпицентр землетрясения, провести оценку ожидаемой силы толчков в близлежащих городах — и всё это за несколько секунд. Сообщения можно мгновенно передавать в системы метрополитена, на электростанции, в школы, больницы, аварийные службы, рекомендуя им перейти к заранее определенным процедурам. Можно даже отправить предупреждение на все мобильные телефоны, находящиеся в зоне опасности. Волны двигаются с разной скоростью, которая зависит от местных горных пород, но, как правило, составляет примерно несколько километров в секунду. Поэтому предупреждение может опередить волны всего на несколько секунд, однако этого достаточно, чтобы школьники забрались под столы или остановились поезда метро. Система срочных предупреждений уже действует в Японии: в случае сильного землетрясения она отправляет сообщения во все школы страны. Аналогичную систему тестируют в Калифорнии, где в зависимости от местоположения эпицентра время предупреждения может оказаться довольно значительным. Например, в случае сильного землетрясения в южной части разлома Сан-Андреас — что прогнозируется с умеренно высокой вероятностью — Лос-Анджелес получил бы уведомление за целую минуту до прихода волн, а этого времени хватит для принятия многих заранее оговоренных мер.

Сильные землетрясения — суровые реалии жизни, я бы даже сказал — суровые реалии тектоники плит. Когда они происходят, они напоминают нам об огромной силе перемещения литосферных плит на поверхности планеты. Укротить мать-природу не получится, однако геонауки дают нам возможность предвидеть ее ходы, и такие знания вкупе с тщательным планированием могут свести к минимуму ущерб от периодических вспышек ее гнева.

Глава 7

Горы, жизнь и большой холод

Хотя чтение летописи прошлых землетрясений остается сложной задачей, породы содержат массу свидетельств о других геологических процессах, причем даже весьма давних, как мы видели в предыдущих главах. Здесь я продолжу путешествие по истории Земли, начатое в главе 4, и мы посмотрим, что говорят нам горные породы о протерозойском эоне — отрезке времени в два миллиарда лет, заключенном между архейским и фанерозойским эонами. Хотя протерозой включает тот период времени, который некоторые ученые называют «скучным миллиардом» (в течение этого времени с земной поверхностью ничего особенного не происходило), этот эон также стал свидетелем судьбоносных изменений.

Цель этой главы — не столько дать всесторонний обзор того, что происходило в протерозое, сколько сосредоточить внимание на нескольких основных моментах. Породы протерозойского возраста встречаются гораздо чаще, чем архейские, и химическую и биологическую информацию, в них содержащуюся, обычно расшифровать проще. По этой причине мы более уверены в реконструкции событий на этой стадии жизни Земли. Один из наиболее важных аспектов исследований протерозоя состоит в том, что они дают представление о поведении Земли как системы в условиях, кардинально отличающихся от современных. Это не только обеспечивает нас фундаментальной информацией об истории нашей планеты, но и улучшает наше умение отвечать на вопросы «А что, если…?», тем самым помогая пролить свет на будущее.

Термин протерозой образован от древнегреческих слов πρóτερος («протерос»), что означает «первый, старший», и ζωη («зоо»), что означает «жизнь». На заре геологии ученые помещали начало кембрийского периода (то есть конец протерозоя) там, где в осадочных породах внезапно появляются многочисленные окаменелости. Хотя протерозойские породы казались безжизненными, ученые поняли, что у окаменевших организмов кембрия должны существовать примитивные предшественники — отсюда и название протерозой для таких более старых пород. Не существует четкого биологического сигнала, отмечающего начало эона; нет также каких-нибудь последовательностей слоев осадочных пород, где вы могли бы уверенно показать рукой на границу, отделяющую протерозой от архея (как это можно сделать в большинстве случаев для более молодых подразделений геологической шкалы). Поэтому граница проведена несколько произвольно. В большинстве случае отнесение той или иной формации к архею или протерозою приходится проводить на основе геологического датирования.

Если дать ученому полминуты на то, чтобы перечислить основные события протерозоя, большинство назовет что-нибудь из следующего: образование крупных стабильных континентов[43]; эволюция эукариотов и многоклеточных животных; накапливание кислорода в атмосфере; сильное оледенение во время событий, которые названы термином «Земля-снежок». В списке могут оказаться и другие пункты, но эти четыре — основные события и процессы, характеризующие этот эон. Всё это активно изучали в течение последних нескольких десятилетий. Удивительный и неожиданный результат такой работы — между этими, казалось бы, разными явлениями, возможно, существуют тесные связи.

Вопрос, как сформировались и выросли первые материки нашей планеты, геологи обсуждают уже больше полувека. Технологические достижения помогли найти подсказки, о которых всего несколько десятилетий назад нельзя было и думать, и потому на обсуждение этой темы сильно влияют последние исследования. В частности, новые горизонты открывает умение датировать древние породы с беспрецедентной точностью и возможность анализировать мельчайшие зерна минералов в поисках сведений о химическом составе окружающей среды в далеком прошлом. Как говорилось в главе 4, одним из плодов такой работы стало открытие кристаллов циркона, относящихся к катархейскому эону, и, насколько можно судить по их химическим свойствам, они должны были образоваться в породах, не слишком отличающихся от тех, что характерны для более молодой континентальной коры.

Сведения, полученные из изучения цирконов, в сочетании с наличием пород возрастом 4,28 миллиарда лет на берегу Гудзонова залива указывают, что континентальная кора существовала уже на ранних стадиях жизни планеты. Восходящие к архею небольшие остатки «микроконтинентов» входят во все современные материки (рисунок 20), но общая величина этих фрагментов невелика по сравнению с объемом более молодой коры. Важный вопрос состоит в том, что означает такая скудость: то, что существовали какие-то большие объемы древней коры, но позже их переплавило так, что мы их уже не распознаем, или то, что большего количества древней коры не существовало вовсе. Общая точка зрения, основанная на многих свидетельствах, состоит в том, что поначалу формирование континентальной коры было ограниченным, а первые континенты — маленькими. Вполне вероятно, что вплоть до архейского эона, а, возможно, до начала протерозоя ни один материк не приближался по размеру к сегодняшним.

Рисунок 20. Все современные континенты содержат хотя бы небольшие фрагменты древней коры. Закрашенные области на этой карте — примерное расположение известных участков архейской коры и остатков первых микроконтинентов. В некоторых из этих районов есть небольшие фрагменты коры катархейского возраста.

Однако геологические данные показывают, что в протерозое появились первые суперконтиненты планеты — поистине гигантские массивы суши, объединявшие почти всю существовавшую тогда континентальную кору в единый материк. Анализ горных пород выявляет, что в течение эона появились минимум два из них; затем они распались на более мелкие части. Совсем недавно — в середине фанерозоя — собрался и распался третий суперконтинент, и многие геофизики считают, что такие длительные циклы образования и распада суперконтинентов являются естественным следствием тектоники плит.

Ключ к выяснению существования и природы протерозойских суперконтинентов, к их образованию и развитию — сочетание полевых исследований и технологий, в частности, технологий для измерения магнитных свойств горных пород и точного определения их возраста. Исследования, имеющие решающее значение для понимания хронологии образования суперконтинентов, в значительной степени используют палочку-выручалочку геохронологов — уран-свинцовое датирование кристаллов циркона. Циркон широко распространен и даже при метаморфизме не склонен «сбрасывать внутренние настройки часов»; поэтому он — предпочтительный минерал для определения возраста древних горных пород. Другой, не менее важный тип сведений, обеспечивает магнетизм пород.

В главе 5 мы видели, что магнитные свойства лавовых потоков на материках или морском дне содержат информацию о полярности магнитного поля Земли на момент их образования. Магнитные минералы в различных типах магматических горных пород фиксируют также и другую информацию. Один из признаков — направление: магнитное поле в разных точках Земли имеет разную ориентацию — от почти вертикальной к поверхности около полюсов до почти горизонтальной на экваторе. Таким образом, ориентация оказывается весьма полезной для определения широты места, где формировалась эта порода. С некоторыми оговорками магнитные свойства континентальных пород можно использовать для достаточно точного определения места их образования; эта информация очень полезна для реконструкции прошлого местоположения континентальных фрагментов, поскольку с тех пор эти плиты попутешествовали по всему миру.

Область науки, которая изучает магнетизм горных пород, называется палеомагнетизмом. Она зародилась в 1950-х и начале 1960-х, когда тектонику плит еще не понимали, и большинство ученых считали, что материки всегда занимали свое нынешнее положение. Первые специалисты по палеомагнетизму сделали поразительное открытие. Измеряя магнитную ориентацию в континентальных породах разного возраста, они пришли к выводу, что в прошлом северный магнитный полюс должен был, перемещаться и оказываться в местах, далеких от его нынешнего расположения. Это казалось странным, поскольку теории возникновения магнитного поля Земли предполагали, что магнитная ось планеты должна примерно совпадать с осью ее вращения. Ученые назвали это явление «движением полюсов».

Еще труднее было понять тот факт, что породы одного возраста, но с разных континентов, иногда давали совершенно разное положение полюсов. Ученые других специальностей стали отчасти в шутку называть специалистов по палеомагнетизму палеомагами. Однако в итоге выяснилось, что проблем с измерениями не было; ошибка заключалась в предположении, что материки оставались на том же месте. Как только ученые разобрались с тектоникой плит, магнитные измерения обрели смысл: блуждали не полюса, а континенты. Теперь появилась возможность перевернуть трактовку вверх ногами и использовать полученные данные для определения прошлого местоположения материков при условии, что магнитные полюса остаются примерно на одном месте. Магнитные полюса и в самом деле немного блуждают (ученые следят за северным магнитным полюсом в течение сотен лет, и видят, как он двигается по арктическим островам северной Канады[44]), но в среднем магнитная ось совпадает с осью вращения.

Как и в большинстве случаев с извлечением информации из древних пород, в палеомагнитных исследованиях нужно тщательно прояснять геологический контекст и внимательно отбирать образцы. Например, если есть признаки того, что порода погружалась вглубь и сильно нагревалась, это свидетельствует, что ее магнитная сигнатура могла измениться или даже совсем «сброситься». Если складки или опрокидывание пластов изменили ориентацию породы, то это тоже приходится учитывать при определении исходной широты. Если результаты от нескольких образцов одной формации, собранные в большой географической зоне, согласуются между собой, это добавляет уверенности в надежности измерений. Многие различные исследовательские группы проводили палеомагнитные измерения с протерозойскими породами, учитывая все эти аспекты, и в совокупности их результаты — убедительное подтверждение существования комплекса протерозойских суперконтинентов.

Первоначально предположение о существовании этих суперконтинентов основывалось на геологическом картировании, которое показало формации сходного характера и близкого возраста, разбросанные по разным материкам. Палеомагнитные исследования прояснили исходные пространственные отношения между этими образованиями, показав, что некоторые из них когда-то располагались рядом. Таким образом ученые связали породы из таких далеких друг от друга мест, как центральная Австралия и западная часть Северной Америки, или Африка и Скандинавия, и точные определения возраста подтвердили такую связь. Этот процесс немного похож на сборку пазла, только картинка нечеткая и со временем меняется. Иногда имеющимся данным удовлетворяют несколько вариантов. Однако ясно, что в течение протерозоя собрались, а затем рассыпались два суперконтинента, каждый из которых включал всю или почти всю существовавшую тогда континентальную кору. Геологи называют их Колумбия и Родиния (последнее название образовано от русского слова «родина»). Есть определенные намеки на то, что существовал еще более ранний суперконтинент, который сформировался ближе к концу архейского эона и дожил до первой стадии протерозоя, но здесь доказательств пока не хватает.

Протерозойские суперконтиненты были не статичными, а динамичными объектами: они постоянно менялись, пусть даже эти изменения были медленными в геологических масштабах. Одни куски коры добавлялись, другие отделялись. Колумбия — более старый из суперконтинентов — собиралась в течение нескольких сотен миллионов лет: процесс начался около 2,1 миллиарда лет назад, а максимального размера массив суши достиг примерно 1,8 миллиарда лет назад. В течение большей части следующих 300 миллионов лет суперконтинент включал практически всю сушу мира, но затем разделился на несколько частей. Через несколько сотен миллионов лет отдельные части Колумбии постепенно объединились в Родинию. Это произошло в промежутке между 1,3 и 1 миллиардом лет назад; далее Родиния оставалась в целом единой еще 150–200 миллионов лет, а потом так же распалась на части (временная шкала протерозойских событий приведена на рисунке 21).

Основой Родинии[45] было то, что мы сейчас называем Северной Америкой (или как минимум ее значительная часть — после отделения от Родинии Северная Америка увеличилась в размерах). Северную Америку долгое время считали «классическим» континентом: она играла центральную роль в развитии идей, как устроены материки. С геологической точки зрения поражает то (если говорить упрощенно), что породы, составляющие Северную Америку, становятся моложе при движении от центра к окраинам. Самые старые породы (образующие так называемый Канадский щит) находятся в центре и окружены более молодыми породами. Континент каким-то образом вырос из первоначального небольшого центрального ядра за счет добавления новой коры по краям.

После открытия тектоники плит стало понятно, что рост проходил в зонах субдукции. За это отвечали два процесса, и оба задействовали вулканическую деятельность: первый добавлял новый вулканический материал непосредственно к существующему континенту (как сегодня это делают вулканы Анд), второй строил прибрежные дуги вулканических островов, которые далее соединялись с краем материка посредством столкновений литосферных плит. Аппалачи, простирающиеся от Ньюфаундленда в Канаде почти до Мексиканского залива, образовались в результате обоих этих процессов, начавшихся почти 500 миллионов лет назад, когда зона субдукции проходила вдоль всей восточной окраины Северной Америки. Это происходило спустя много времени после распада Родинии и стало одной из стадий длительного формирования более позднего фанерозойского суперконтинента — Пангеи.

Рядом с Аппалачами ближе к центру материка идет параллельный, но гораздо более старый пояс пород, который образовался аналогичным путем во время формирования Родинии. Геологи называют его «Гренвильским поясом», и он отмечает древнюю зону субдукции, вдоль которой с Северной Америкой сталкивались и соединялись материки и островные дуги. Гренвильские породы формировались 1–1,1 миллиарда лет назад, когда столкновение материков подняло высокие горы, напоминающие Альпы и Гималаи, хотя сегодня мы их и не знаем. Все, что осталось — разрушенный плоский ландшафт из метаморфических пород, которые когда-то были глубокой сердцевиной горного хребта. Эрозия и геологическое время весьма эффективно сделали свое дело.

Рисунок 21. Временная шкала важных событий в протерозойском эоне. Даты приведены в миллионах лет до настоящего времени. Криогений показан для удобства сравнения с событиями, описанными в тексте, но формально он не является подразделением геологической временной шкалы.

Слияние суперконтинентов с помощью тектонических процессов изучено весьма хорошо, однако причины их распада не так очевидны. Одна из теорий (хотя и не единственная) предполагает, что очень крупные континенты действуют как своеобразная термоизоляция, заставляя подлегающую мантию нагреваться. В конечном итоге горячий материал мантии из-за своей плавучести начинает течь вверх в виде плюма или горячей точки; в результате вышележащая литосфера поднимается и растягивается. Появляются трещины, сопровождаемые вулканической деятельностью, и континент начинает распадаться. Доказательство таких процессов — повсеместное распространение вулканических пород, известных как «дайки», возраст которых соответствует времени распада суперконтинентов. Дайки — это узкие вертикальные пласты магмы, которые рассекают континентальную кору по трещинам. Эти трещины были путями для значительных потоков лавы (сейчас в основном их разрушила эрозия), которые хлынули на континент. Если Африка разделится на части вдоль Восточно-Африканского рифта, через десятки или сотни миллионов лет по краям образовавшихся после разлома континентов будут видны целые скопища даек.

Как бы ни распадались протерозойские суперконтиненты, и они, и меньшие массивы суши, образовавшиеся после распада, сильно отличались по внешнему виду от современных. Единственное сходство было в топографии — высокие горные хребты, плоские равнины и пустыни. Но там не было жизни. Высокое содержание углекислого газа в атмосфере создавало сильные кислотные осадки, и вместе с резким рельефом и отсутствием растительности это приводило к сильной эрозии поверхностных пород. Этот вывод надежно базируется на протерозойских осадочных породах, для которых характерны обширные толстые пласты кварцевого песчаника — признака континентальной эрозии.

В отличие от бесплодных материков протерозойские океаны изобиловали жизнью. Доминирующими формами были бактерии и археи — простые одноклеточные организмы, которые возникли, возможно, еще в катархее. Образованные ими строматолитовые структуры постоянно встречаются в протерозойских породах: они — эталонные окаменелости, практически символы той эпохи. Первые настоящие окаменелости эукариотов с клеточными ядрами и другими сложными структурами появляются примерно 1,8 миллиарда лет назад. (Как говорилось в главе 4, биомаркеры эукариотов обнаружены в более старых архейских породах, что заставляет предположить их более древнее происхождение). К концу протерозойского эона появилась целая экосистема более сложных многоклеточных животных, и почти одновременно сократилось количество строматолитов. Любопытно, что эволюция жизни в протерозое, циклы существования суперконтинентов и изменения климата и химического состава атмосферы могут быть связаны между собой.

Связь между жизнью и атмосферой (особенно содержанием в ней кислорода) понять легко. Повышение уровня кислорода в протерозое должно быть связано с эволюцией зеленых растений, которые производят атмосферный кислород с помощью фотосинтеза. Но какие свидетельства подтверждают связь между формированием и распадом суперконтинентов, временами Земли-снежка, составом атмосферы и эволюцией жизни?

Возможно, лучше всего ответить на этот вопрос, изучая в хронологическом порядке, как различные части системы под названием Земля взаимодействовали между собой во время протерозоя. Одновременность или почти одновременность не всегда означает взаимосвязь, но если геологическая летопись показывает, что основные изменения в разных частях системы происходили более или менее в одно и то же время, то разумно как минимум изучить возможность взаимной связи между ними. И если физика и химия, стоящие за такими изменениями, совместимы с этой идеей, то велика вероятность, что такая связь действительно обнаружится.

Я должен подчеркнуть, что по-прежнему существует неопределенность в отношении того, как именно развивалась история Земли в протерозое, особенно на начальных стадиях этого эона. В летописи горных пород имеются пробелы, а многие уцелевшие породы прошли через метаморфизмы. Излагаемый мною вариант будет пересматриваться, но при нынешних данных он правдоподобен. Для начала нужно снова вернуться к условиям, существовавшим в конце архейского эона — незадолго до начала протерозоя.

Некоторые архейские осадочные породы обладают химическими свойствами, которые заставляют предположить, что океаны тогда были весьма теплыми: возможно, их температура превышала 50 градусов Цельсия. Если море было настолько горячим, то температура на суше должна быть еще выше. В этом суть упомянутого в главе 4 парадокса молодого слабого Солнца: во времена архея падавшая на Землю солнечная энергия составляла всего 75–80 % от нынешнего значения, а поэтому поверхностная температура должна быть ниже, а не выше современной. Единственное правдоподобное решение этой проблемы состоит в том, что концентрации углекислого газа и метана в атмосфере были настолько велики, что из-за такого парникового эффекта Земля была комфортно теплой (или даже некомфортно горячей). Как мы видели ранее, в бескислородных условиях архейской атмосферы уровень метана был, вероятно, очень высоким. Однако требовался точный баланс: если уровень метана поднимается слишком сильно, образуется метановая дымка. Идея атмосферного тумана из метана — не фантастика: именно такой дымкой окутан Титан, крупнейший спутник Сатурна[46]. Если на архейской Земле уровень метана оказался бы достаточно высоким, то розовато-коричневый метановый туман блокировал бы солнечный свет, противодействуя парниковому эффекту.

В Южной Африке геологи обнаружили тип осадочных отложений, известный как «тиллит»: это конгломерат мелких и крупных обломков, а также мельчайших отложений, который обычно образован ледниками. Южноафриканскому тиллиту 2,9 миллиарда лет, и это единственное такое отложение времен архейского эона. На валунах тиллита видны царапины и следы истирания от ледников, и поэтому эти отложения стали считать свидетельством первого ледникового периода в истории планеты. Появилось предположение, что высокий уровень метана в архейской атмосфере сначала помогал сохранять тепло благодаря парниковому эффекту, но позже, когда образовалась быстро охладившая Землю метановая дымка, привел к ледниковому периоду.

Насколько мы можем судить, в конце архея и в начале протерозоя температура снова поднялась. Однако протерозой включал не один ледниковый период, и некоторые из них были исключительно суровыми (смотрите временную шкалу на рисунке 21). Первый (который на самом деле был несколькими последовательными холодными отрезками) случился между 2,45 и 2,2 миллиарда лет назад, вскоре после начала эона. Он известен как «гуронское оледенение» и, возможно, тоже был связан с метаном в атмосфере, хотя и не так, как его архейский предшественник.

Начало гуронского оледенения совпадает с описанной в главе 4 кислородной катастрофой — резким повышением содержания кислорода в атмосфере около 2,45 миллиарда лет назад. Почему кислород появляется в атмосфере именно в это время, в точности неизвестно, за исключением того, что это каким-то образом связано с фотосинтезом и эволюцией зеленых растений. Это повышение оказалось очень серьезным в относительном выражении, поскольку первоначальное содержание кислорода было практически нулевым, но в итоге количество кислорода составило всего лишь около 1 % (или даже меньше) от современного уровня. Однако этого было достаточно, чтобы резко уменьшить среднее время существования молекул метана в атмосфере (метан разрушается из-за окисления). Когда понизилась концентрация метана, уменьшилась эффективность парникового эффекта, поэтому упала и температура.

В течение того периода, который именуют гуронским оледенением, Земля не находилась в условиях ледникового периода постоянно: скалы из района Великих озер в Канаде содержат свидетельства трех четко различимых ледниковых периодов, разделенных более теплыми интервалами, и вполне вероятно, что их было еще больше. Об оледенении свидетельствуют скалы примерно того же возраста из Соединенных Штатов, Южной Африки и Финляндии: это говорит о масштабности ледников. Магнитные свойства некоторых пород, связанных с оледенением, указывают на их нахождение в относительно низких широтах; это признак того, что холод был сильным и, возможно, распространялся и на тропики. Один или несколько отрезков гуронского оледенения могли быть эквивалентны периодам Земли-снежка, которые настали позже, ближе к концу протерозойского эона.

Я уже несколько раз упоминал, что геологическая летопись не является непрерывной, но это стоит лишний раз подчеркнуть. Например, напоминающие торт слои, которые можно увидеть на стенах Большого каньона, охватывают в общей сложности более полутора миллиардов лет, однако есть сотни миллионов «недостающих» лет — их не представляют вообще никакие породы. Тот факт, что самым старым породам, свидетельствующим о гуронском оледенении, 2,45 миллиарда лет, а самым молодым — 2,22 миллиарда, не означает, что оледенения не было чуть раньше или чуть позже этого промежутка времени. Точное время кислородной катастрофы тоже неясно. Почти все породы старше 2,45 миллиарда лет демонстрируют, что кислорода в атмосфере нет, в то время как породы моложе 2,32 миллиарда лет указывают, что атмосфера насыщена кислородом; однако пропуски в геологической летописи снова не дают возможности установить точное время этой трансформации. И все равно даже по геологическим совпадениям перекрытие по времени между кислородной катастрофой и гуронским оледенением поражает: уровень кислорода повысился, и Земля замерзла. Возможно, все было наоборот: датировка недостаточно точна, чтобы сказать это. Однако разумно предположить, что сначала появился кислород: он снизил концентрацию метана, что ослабило парниковый эффект и подтолкнуло Землю к ледниковому периоду.

Имеются также косвенные доказательства, связывающие парниковые газы, кислородную катастрофу, гуронское оледенение и образование континентов. Одна из причин того, что границу между археем и протерозоем установили на моменте в 2,5 миллиарда лет назад, заключается в том, что геологи обнаружили незначительные изменения в природе пород земной коры, сформировавшихся до и после этого момента. Эти изменения были не мгновенными даже в геологическом смысле, но важнейшее обстоятельство состоит в том, что судя по минеральному составу архейских осадочных пород, многие из них образовались в результате выветривания базальта, в то время как осадочные породы протерозоя, скорее всего, были продуктом выветривания гранитоподобных пород. Это не означает, что гранитная кора не существовала до 2,5 миллиарда лет назад: мы уже встречались с доказательствами того, что субдукция или подобные ей процессы формировали гранитные породы гораздо раньше. Однако такие данные осадочных пород показывают, что континентальная кора, похожая на сегодняшнюю, стала доминирующим источником отложений только в протерозое. Это может отражать важнейший постепенный сдвиг в способе образования коры — от преимущественно базальтового вулканизма (например, в Исландии и на Гавайях) к процессам, которые привели к стабилизации континентов гранитного состава посредством вулканизма в зонах субдукции. Это отразилось на содержании парниковых газов в атмосфере в ту эпоху.

Почему так должно быть? Базальт — это характерная магма, сформировавшаяся при плавлении мантии; он несет с собой растворенный метан и углекислый газ из недр Земли, которые выбрасываются в атмосферу. С другой стороны, процессы, которые образуют континентальную кору гранитного состава, более сложны, как уже упоминалось ранее; в целом они переносят на поверхность гораздо меньше этих газов. Поэтому понижение базальтового вулканизма (даже если оно сопровождается повышением вулканизма в зоне субдукции) приводит к уменьшению уровня парниковых газов в атмосфере. Это также может частично объяснить повышение содержания кислорода, поскольку из-за меньшего количества метана на реакцию с ним уйдет меньшее количество кислорода, произведенного посредством фотосинтеза. Итоговым результатом могут оказаться пониженные температуры — возможно, достаточно низкие, чтобы привести к гуронскому оледенению.

Создание континентов, оледенение и биологическая эволюция могут связываться и другими способами. По мере того как материки увеличивались в размере и количестве и начинали выдерживать более резкие формы рельефа, усиливались и эрозия, и химическое выветривание поверхностных пород. На длительных промежутках времени химическое выветривание — основной процесс удаления углекислого газа из атмосферы: он растворяется в дождевой воде с образованием угольной кислоты[47], которая разрушает и растворяет горные породы; затем реки и ручьи переносят его вместе с растворенными веществами в океан, и он более или менее постоянно сохраняется на дне океана в качестве компонента осадочных пород (рисунок 25). Таким образом, формирование континентов, особенно гор в районах субдукции, возможно, понижало количество углекислого газа в атмосфере и инициировало похолодание. Кроме того, материалы усилившегося выветривания содержали большое количество важных веществ — например, фосфора и железа. Попав в океан, эти вещества могли стимулировать распространение жизни и сыграть определенную роль в эволюции фотосинтезирующих цианобактерий и последующем насыщении атмосферы кислородом.

Этот сценарий довольно умозрителен: мы не знаем, так ли всё обстояло на самом деле. Однако у нас есть хронология событий, и мы знаем с точностью, как действуют вышеописанные процессы — разрушение метана посредством окисления, извлечение углекислого газа из атмосферы посредством выветривания, глобальные изменения температуры, вызванные изменением уровня атмосферных парниковых газов и удобрение океанов веществами, попадающими туда после усиленного выветривания, знаем и их последствия. На данный момент нет никаких фактов, которые бы противоречили описанным взаимосвязям между этими процессами. Однако вполне вероятно, что какие-то детали изменятся, геологи найдут новые факты, и ситуация с разгадкой протерозойских пород станет более ясной.

Первые несколько сотен миллионов лет протерозоя были довольно насыщенными, но с конца гуронского оледенения и до отметки 800 миллионов лет назад ситуация на поверхности планеты была относительно стабильной. Это тот самый период, который некоторые ученые называют скучным миллиардом (на самом деле промежуток больше похож на полтора миллиарда, но это звучит не так красиво). Как правило, эти ученые — геохимики, занимающиеся океанами и атмосферой: в течение этого промежутка времени содержание кислорода в атмосфере оставалось низким, мало что менялось и в химии океана. Однако этот период включает формирование Колумбии, первого четко установленного суперконтинента, которое началось примерно 2,1 миллиарда лет назад, а также образование первых колоссальных горных цепей, подобных Андам. Ему также соответствуют первые окаменелости эукариотов, которым 1,8 миллиарда лет.

Трудно переоценить важность того эволюционного шага, который привел к появлению эукариотов. Биологи считают это одним из важнейших шагов в эволюции жизни. Без него некому было бы читать эту книгу. Данные ДНК показывают, что эукариоты несут гены обоих типов организмов, существовавших до них — и бактерий, и архей. Каким-то образом одна разновидность этих предков-прокариотов проглотила или захватила другую, но вместо того, чтобы уничтожать друг друга, они построили своеобразные симбиотические отношения. По-видимому, так возникли внутренние структуры эукариотов, например, митохондрии (заключенные в мембраны крохотные органеллы, производящие энергию). Митохондрии (которых в одной клетке могут быть тысячи) позволили эукариотам обрести размеры намного большие, чем у предков-прокариотов, поскольку теперь реакции, вырабатывающие энергию, шли внутри клетки с помощью множества митохондрий, а не через внешнюю клеточную стенку (когда клетка увеличивается в размере, ее объем увеличивается быстрее, чем площадь поверхности, а поэтому клетка-прокариот без митохондрий быстро достигнет точки, где ей уже не будет хватать энергии для функционирования). Наличие различных внутренних структур (в частности, ядер и митохондрий) также позволило эукариотам образовывать многоклеточные организмы и развивать в разных клетках специализированные функции. Это подготовило почву для эволюции сложных растений и животных, хотя до нее оставался еще миллиард лет.

Примерно в то же время, которым датируют первые останки эукариотов, 1,8 миллиарда лет назад, Колумбия достигла своего максимального размера. Как уже говорилось, спустя несколько сотен миллионов лет суперконтинент распался, и образовавшиеся мелкие материки дрейфовали по планете, пока не стали собираться во второй великий протерозойский суперконтинент — Родинию. Этот процесс начался примерно 1,3 миллиарда лет назад. Затем — ближе к концу эона — произошел всплеск геологической активности. Очень быстро (с геологической точки зрения), в течение 300 миллионов лет, Родиния стала распадаться, а на планете началась серия оледенений, два из которых были очень серьезными (Земля-снежок). В то же время уровень кислорода в атмосфере, который в период скучного миллиарда колебался, но оставался низким, подскочил почти до современной величины, и на морском дне распространились новые сложные животные. Мы снова можем задать вопрос: есть ли связь между этими вроде бы не имеющими друг к другу отношения событиями? Ответ большинства геологов, тщательно изучавших эти факты — осторожное «вероятно».

Окончательный распад Родинии произошел между 850 и 800 миллионами лет назад, и почти одновременно на планете резко похолодало. Геологические свидетельства оледенения настолько масштабны, что интервал между 850 и 635 миллионами лет назад называется криогений (это не официальный период геологической шкалы, но термин широко используется учеными). Считается, что в этот промежуток времени было как минимум два глобальных ледниковых периода, когда лед простирался до тропиков, и, возможно, замерзали даже значительные части океана. Чтобы описать эти события, предложен термин Земля-снежок (или Земля — снежный ком).

Читать геологическую летопись возрастом в 800 миллионов лет гораздо проще, чем извлекать информацию из сильно метаморфизованных архейских или ранних протерозойских пород, и в результате о Земле-снежке мы знаем довольно много. Существуют косвенные, но довольно правдоподобные свидетельства, что после распада Родинии выветривание новых материков забрало достаточно много углекислого газа из атмосферы: парниковый эффект ослаб, и на Земле наступило похолодание, апогеем которого стали морозы криогения. Уникально то, что все эти материки находились на низких или средних широтах (подобное расположение с тех пор не повторялось), и их окружали относительно теплые океаны. Из-за обильных источников влаги и температур, находившихся в диапазоне от умеренных до тропических, выветривание (и связанное с ним удаление из воздуха углекислого газа) шло быстро. Это необычное скучивание континентов в низких широтах имело и другие последствия. Суша отражает солнечную энергию сильнее, чем вода, особенно при отсутствии растительности, как это было 800 миллионов лет назад. Поскольку все материки находились там, куда падает максимум солнечных лучей, то в космос отражалось больше энергии. Хотя к тому времени поток энергии от Солнца значительно усилился по сравнению с начальными этапами истории нашей планеты, он все еще был примерно на 6 процентов слабее, чем сегодня. Это способствовало понижению температуры во всем мире и подтолкнуло Землю к продолжительному холодному промежутку времени, отмеченному ледниковыми периодами, один или несколько из которых, вероятно, были самыми суровыми в истории нашей планеты.

Главным ключом для определения низкоширотного положения материков криогения, на которые разделилась Родиния, стали магнитные свойства горных пород. Когда стало ясно, что оледенение было распространено на всех континентах, некоторые геофизики отнеслись к этому скептически. Еще труднее было согласиться с данными, что как минимум часть этих ледниковых отложений образовалась на уровне моря, а не высоко в горах. Ледники в низких широтах существуют и сегодня, но только на больших высотах в горных системах вроде Анд и Гималаев. Однако в криогении ледниковые щиты соскребали обломки с континентов, текли к береговой линии и дальше и сбрасывали беспорядочные ледниковые отложения прямо на мелководье континентального шельфа. Как такое могло происходить в тропиках? Снова возникло предположение, что специалисты по палеомагнетизму всё путают, и в действительности во время ледниковых периодов материки находились в высоких широтах. Но несмотря на сотни исследований, направленных на поиск ошибок в палеомагнитных измерениях, никаких изъянов там не нашлось.

Компьютерное моделирование показывает, что ледники на материках в средних широтах вкупе с морским льдом вокруг полюсов могут отражать в космос столько солнечных лучей, что Земля перейдет в стадию бесконтрольного замерзания. Конечно, эти модели зависят от предполагаемых начальных условий — например, от концентрации парниковых газов в позднем протерозое. Мы не знаем этих величин наверняка, но их можно оценить, и полученные модели говорят, что Земля-снежок могла получиться: ледники могли быть даже в тропиках, а части океана могли замерзнуть.

Вот аргумент против такого сценария: если ледники распространились по тропикам, то солнечные лучи стали бы отражаться еще больше, и в результате планета попросту осталась бы замороженной. Как при таких условиях ей снова нагреться?

Ответ (или, по крайней мере, ответ, который соответствует данным из летописи горных пород) снова обращает наше внимание на важность парниковых газов для климата Земли. Джозеф Киршвинк, профессор геобиологии из Калифорнийского технологического института, придумавший в 1992 году термин «Земля-снежок», первоначально скептически отнесся к идее тропического оледенения во время криогения. Но когда его переубедили, ученый высказал предположение, как такой суровый ледниковый период мог завершиться. Киршвинк указал, что даже на замерзшей Земле вулканы продолжат извергать лаву, содержащую газы, в том числе и углекислый. При низких температурах и масштабном ледяном покрове выветривание окажется минимальным; поэтому большая часть углекислого газа останется в атмосфере. При частично замороженных океанах ограничивается фотосинтез, который также убирает двуокись углерода из атмосферы. В результате предложение углекислого газа значительно превысит спрос на него, и поэтому его концентрация в атмосфере в конечном итоге дойдет до такого высокого уровня, что сумеет противодействовать высокой отражательной способности Земли-снежка. На короткое время установится «суперпарниковый климат», и планета растает. Другие исследователи, принявшие теорию Киршвинка, добавляли, что такой суперпарниковый эффект может усиливаться из-за высвобождения метана при потеплении Земли. В очень холодные периоды основная часть метана, производимого бактериями, не может просочиться в атмосферу, поскольку он удерживается в твердых ледяных соединениях, именуемых газовыми гидратами. При повышении температуры метан будет бурно выделяться при разложении гидратов (хотя гидраты метана и похожи на лед, они не плавятся, а просто распадаются и выделяют газообразный метан).

Ученые активно спорят о суровости климата Земли-снежка и о том, действительно ли последующие теплые периоды можно называть суперпарниковыми интервалами. Некоторые специалисты полагают, что оледенение было не полным, и в название вместо снега включают снежуру[48]. Однако интенсивные полевые исследования последних десятилетий, особенно работы Пола Хоффмана и его коллег, показывают, что во время криогения экстремальный холод наблюдался даже в тропиках, и что за каждым холодным промежутком шел короткий интервал высоких температур. Все сохранившиеся осадочные породы того периода истории Земли рассказывают одну и ту же историю: беспорядочные слои ледниковых отложений довольно резко перекрываются мелкозернистыми известнякоподобными породами, физико-химические характеристики которых говорят о том, что они осаждались в теплых мелких морях. Возникает картина Земли с резкими колебаниями климата — от глобального оледенения до глобального парника и обратно. Когда вода связывалась льдами, уровень океана падал, а когда лед таял, он снова быстро поднимался.

Точные корреляции между всеми породами криогения, расположенными далеко друг от друга, установить трудно, поэтому мнения о количестве ледниковых периодов расходятся. Тем не менее, конец криогения в целом связывают с отметкой в 635 миллионов лет назад, когда четко установлено завершение сурового периода оледенения. Различные химические индикаторы в осадочных породах показывают, что содержание кислорода в атмосфере в то время было еще низким — менее 10 % от современного. Однако в начале кембрийского периода, наступившем менее, чем через 100 миллионов лет, эти же индикаторы фиксируют подъем уровня кислорода до показателя, близкого к современному. Они также отмечают, что даже глубины океана, которые до сих пор страдали от нехватки кислорода, теперь насытились этим газом. Точная причина этого относительно быстрого увеличения пока неизвестна, но хронология событий дает возможность предположить, что это может быть связано с климатическими изменениями в криогении и их воздействием на жизнь в океане. Возможно, резко увеличилось количество фотосинтезирующих организмов в поверхностных водах, поскольку вслед за последним циклом скачков от ледника до парника и обратно климат перешел в более ровную фазу, чему способствовали большие объемы необходимых питательных веществ, смытых в моря по мере того как выветривались скалы, истираемые ледниками. Какой бы ни была причина, одним из следствий оказался масштабный рывок в биологической эволюции, начавшийся с появления в океанах первых животных.

Животным для жизни нужен кислород, поэтому необходимым условием для их эволюции было повышение содержания кислорода в атмосфере и насыщение этим газом океанов. Самые старые известные окаменелости животных найдены на полуострове Авалон на Ньюфаундленде: им примерно 575 миллионов лет. Эти большие сложные мягкотелые организмы знаменуют начало ускоренной эволюции эукариотов после более чем миллиарда лет совсем незначительных изменений. Вполне вероятно, что повышение уровня кислорода было не единственным фактором скоростной эволюции. Эти новые существа могли наслаждаться благоприятным климатом, пришедшим на смену колебаниям криогения: по мере таяния ледников по краям континентов появлялись моря, создававшие множество новых экологических ниш для живых организмов.

Конечно же, эти животные возрастом 575 миллионов лет, оставшиеся в скалах Ньюфаундленда, появились не мгновенно. У них должны иметься предки, однако на сегодняшний день достоверных физических свидетельств об этих предках не найдено. Впрочем, имеются сообщения о химических признаках древней жизни в породах возрастом несколько более 635 миллионов лет: эти биомаркеры указывают на существование примитивных животных, похожих на губки. Недавно появилось также сообщение о губкоподобных окаменелостях в австралийских осадочных породах примерно того же возраста. Если данные подтвердятся, это будет означать, что какие-то сложные животные эволюционировали во время последнего оледенения в криогении, а, может, даже до него. Тем не менее, данные палеонтологических находок показывают, что основной всплеск эволюции произошел после отступления ледников и потепления климата.

Одна из идей, которые вытекают из нашего краткого путешествия по протерозойскому эону — от скрытого в тумане начала на границе с архейским периодом до более изученной эволюционной вспышки ближе к его концу — существование зависимостей между геологическими явлениями, которые на первый взгляд кажутся не связанными между собой. Строительство континентов, парниковые газы, климат, химия океана, биологическая эволюция — все это взаимосвязано тем или иным образом. Информация из протерозойских обнажений показывает, насколько тесно на самом деле объединены различные части Земли как системы.

Глава 8

Холодные времена

Ледниковые периоды в конце протерозойского эона, несомненно, относились к самым суровым временам в истории нашей планеты. Однако эти холодные отрезки времени были так давно, что мы имеем о них только общее представление и никогда не сможем восстановить многие мелкие детали. Например, мы не знаем точную конфигурацию ледяных щитов, происходило ли регулярное увеличение и уменьшение ледников во время ледниковых периодов, какой толщины были льды, и насколько сильно повышался и понижался уровень океанов в ответ на образование и таяние льдов. Однако всё это (и многое другое) мы знаем о гораздо более позднем ледниковом периоде, который непосредственно повлиял на людей, воздействуя на наши ландшафты, наш климат и даже нашу эволюцию. Знания, накопленные об этом недавнем периоде, дали нам глубокое понимание того, как работает климатическая система Земли, и облегчили понимание тех признаков, которые оставили в геологической летописи ледниковые периоды далекого прошлого. Они также дают нам базу для понимания того, как система климата может реагировать на будущие возмущения.

Этот последний ледниковый период обычно называют «плейстоценовым», но это название несколько запутывает. Плейстоцен — это подразделение геологической шкалы времени, эпоха, начавшаяся 1,8 миллиона лет назад и закончившаяся 11 400 лет назад; однако плейстоценовый ледниковый период начался раньше, примерно 3 миллиона лет назад, и продолжается до настоящего времени. В среднем на этом промежутке Земля была гораздо холоднее, чем сегодня. Но, хотя в плейстоцене доминировало оледенение, имелись и теплые отрезки, когда климат был как минимум таким же мягким, как сейчас. При исследованиях плейстоценового ледникового периода установлено, что в это время температуры постоянно колебались: длительные холодные отрезки, когда лед покрывал до 30 % поверхности планеты, перемежались короткими, гораздо более теплыми интервалами. При отсутствии других влияющих факторов (например, воздействия людей) можно было бы ожидать, что такая закономерность продолжится, и современный теплый отрезок закончится новым охлаждением Земли до состояния очередного ледникового периода.

Термин последний ледниковый период часто относят только к самому последнему интервалу оледенения, а не ко всему плейстоценовому ледниковому периоду в целом. В книге я всегда буду стараться провести различие между ледниковым периодом (всем периодом в целом) и отдельными ледниковыми эпохами (ледниковьями, гляциалами) и межледниковыми эпохами (межледниковьями, интергляциалами) между ними. Земля начала охлаждаться и входить в самую последнюю ледниковую эпоху плейстоценового ледникового периода примерно 125 000 лет назад, а самой холодной точки достигла около 20 000 лет назад. В это время, которое специалисты называют максимумом последнего оледенения, мощные ледники Северной Америки простирались на юг гораздо дальше современного Чикаго.

Почти все сведения о наступлениях и отступлениях льдов во времена плейстоценового ледникового периода исходят из северного полушария. Насколько мы можем судить, примерно 3 миллиона лет назад даже Гренландия, где сейчас находятся самые мощные ледники северного полушария, была в основном (возможно, даже целиком) свободна от постоянных льдов. Однако геохимические данные из глубоководных отложений говорят, что средняя температура Земли начала снижаться задолго до этого, а керны отложений из морей, окружающих Антарктиду, показывают, что крупные ледники на этом континенте существовали еще тридцать пять миллионов лет назад. Двадцать пять миллионов лет назад под ледяной шапкой лежала большая часть Антарктиды. Итак, ситуация с оледенением в обоих полушариях весьма отличается, и встает очевидный вопрос: почему?

Большинство ученых полагают, что это связано с тектоникой плит — в частности, с географическим расположением материков. Примерно 500 миллионов лет назад современные южные континенты объединялись в огромный массив суши под названием Гондвана. Когда через сотни миллионов лет этот континент распался, Антарктида направилась к южному полюсу, а другие материки — к северу. В южном океане возникло круговое (циркумполярное) течение, которое изолировало Антарктику от влияния лежащих севернее более теплых вод. Чем больше на холодном изолированном континенте росли ледники, тем сильнее снег и лед отражали обратно в космос солнечные лучи, что способствовало дальнейшему охлаждению. Напротив, в северном полушарии конфигурация континентов оказалась иной, морские течения продолжали переносить теплую воду в высокие широты, и оледенение сдерживалось.

Но когда примерно 3 миллиона лет назад в северном полушарии все же начали формироваться ледяные щиты континентальных масштабов, Земля погрузилась в полноценный ледниковый период. Осознание того факта, что толща льдов покрывала огромные участки материков, пришло к ученым и общественности в 1830-е годы. Эту идею разработал биолог Луи Агассис, который впервые нашел доказательства прошлого ледникового периода в своей родной Швейцарии. На самом деле Агассис сделал открытие не сам. Подсказки — например, перенесенные льдом валуны в долинах с умеренной температурой, оказавшиеся далеко от всех современных ледников — ему дали другие ученые, которые уже пришли к выводу, что в прошлом местные ледники должны были быть гораздо крупнее. Но именно Агассис развил эти идеи до концепции общемирового ледникового периода.

Хотя Агассис всю жизнь продолжал исследовать тот период, он никогда по-настоящему не пытался выяснить детально, как и куда двигался лед, или почему ледниковый период вообще наступил. Однако за это взялись другие ученые. Вскоре геологам, составлявшим карты морен (отложений из гравия и валунов, принесенных ледником и оставленных после его отступления) стало ясно, что лед наступал и отступал множество раз. Ледниковый период Агассиса оказался не единичным событием: скорее, это была последовательность чередующихся теплых и холодных отрезков времени. Хотя это открытие было сделано еще до того, как появилась возможность точно датировать гляциальные отложения, сходства между разными местами было достаточно, чтобы большинство исследователей пришло к выводу: последовательности морен везде совпадают, то есть ледниковые и межледниковые эпохи одновременно имели место в Европе и Северной Америке. Это означало, что климатические колебания ледникового периода были глобальными.

Такие наблюдения накладывают жесткие ограничения на потенциальные причины возникновения ледникового периода. Какой механизм мог заставить планету остыть, а потом снова нагреться, и не один, а много раз? Некоторые ученые сочли, что ключевым фактором является Солнце, поскольку температура на поверхности Земли в конечном итоге зависит от количества полученной и задержанной солнечной энергии. В 1842 году французский математик Жозеф Адемар предположил, что свою роль в оледенении должны играть колебания орбиты Земли (которая меняет свою форму от почти круглой до слегка эллиптической) и наклон ее оси вращения. И эксцентриситет орбиты (мера ее вытянутости), и наклон оси влияют на количество солнечной энергии, получаемой различными частями поверхности нашей планеты. Даже во времена Адемара было хорошо известно, что они меняются регулярно и предсказуемо в течение длительных промежутков времени, и ученый считал, что этих колебаний достаточно, чтобы повлиять на климат. В итоге выяснилось, что он был на правильном пути, но выводы, к которым он пришел, выглядели так фантастически, что его идеи не приняли всерьез (Адемар полагал, что лед будет попеременно нарастать то на южном, то на северном полюсе, и в результате центр тяжести Земли начнет перемещаться, что вызовет гигантские приливные волны).

Примерно через два десятка лет после публикации Адемара шотландский ученый-самоучка Джеймс Кролль продолжил его труды, тщательно вычислив, как меняется количество попадающей в различные широты солнечной энергии в зависимости от колебаний орбиты. Он быстро обнаружил, что эти изменения малы — на его взгляд, слишком малы, чтобы вызвать существенные перемены в климате. Однако у Кролля появились другие идеи. Он одним из первых стал воспринимать Землю как единую систему, хотя и не пользовался соответствующими современными терминами. Кролль осознал, что климат зависит от сложного взаимодействия многих факторов, и что между различными элементами системы климата существует множество возможных обратных связей, некоторые из которых усиливают воздействие, а некоторые ослабляют. Он пришел к выводу, что если учесть такие вещи как перенос тепла океанскими течениями и изменения альбедо[49] Земли в результате переменного размера снежного и ледяного покрова, то колебания во внешних астрономических параметрах станут достаточно мощными, чтобы привести к ледниковому периоду.

Сначала работа Кролля вызвала интерес, но затем другие специалисты обнаружили изъяны в некоторых его рассуждениях. Кроме того, геологи начали находить данные, которые не соответствовали предсказаниям теории. Удивительно быстро «астрономическая теория» ледниковых периодов стала казаться сомнительной, и в конце концов большинство ученых от нее полностью отказались. Но подобно самим ледникам, наступающим и отступающим, эта идея продолжила возникать в слегка измененных вариантах. Около 1912 года Милутин Миланкович, сербский инженер, ставший математиком, поставил себе амбициозную задачу: разработать математическую теорию климата Земли. Миланкович проводил все вычисления вручную, вычисляя среднюю температуру на разных широтах в разное время года чисто из теоретических принципов, учитывая при этом (как это делали Кролль и Адемар) изменения параметров орбиты, которые влияют на количество солнечной энергии (инсоляцию), получаемое разными точками поверхности Земли. Его первые результаты дали разумное соответствие со всеми наблюдаемыми температурами в мире и быстро привлекли внимание метеорологов, которые до этого подходили к климату в основном эмпирически, а не теоретически.

На работу Миланковича обратили внимание некоторые ученые, интересовавшиеся ледниковыми периодами; они побудили его экстраполировать свои вычисления в прошлое. Делая это, Миланкович учел изменения эксцентриситета и наклона орбиты (как поступали Кролль и Адемар), но также включил в расчеты прецессию — явление, когда ось вращающегося тела меняет свое направление в пространстве, описывая конус. (Прецессия — причина того, что точка на небе, вокруг которой вращаются звезды, медленно перемещается; сегодня из ярких звезд к этой точке ближе всего Полярная звезда, но со временем ее место займут другие звезды.) Эксцентриситет, наклон оси и прецессия изменяются по хорошо известным законам во временных масштабах от десятков тысяч до сотен тысяч лет. Миланкович также включил в свои расчеты информацию о том, как энергия Солнца передается сквозь атмосферу. Это было грандиозным достижением.

Самый важный итог работы Миланковича состоял в том, что он показал: астрономические изменения влияют на температуры в разных широтах совершенно по-разному. Он и его соратники пришли к выводу, что оледенение будет наиболее вероятно, когда в высоких широтах лето окажется прохладным. Это был важнейший момент, поскольку другие считали, что для начала оледенения необходимы холодные зимы. Однако именно прохладное лето препятствует таянию некоторой части снега прошлой зимы, что увеличивает альбедо, поскольку в космос отражается больше энергии. Такая положительная обратная связь приводит к дальнейшему охлаждению.

И снова первоначальная шумиха сменилась несогласием. По-прежнему оставалась проблема с тем, что изменения инсоляции слишком малы и не могут сами по себе управлять ледниковыми циклами. Были и трудности со временем. Некоторые европейские ледниковые отложения, которые вроде бы совпадали по возрасту с вычисленными Миланковичем годами с прохладным летом и поэтому использовались для подтверждения его идей, на самом деле оказались вовсе не ледниковыми отложениями. Когда в 1950-е годы появилось радиоизотопное датирование с помощью углерода-14, его тут же применили к гляциальным отложениям Северной Америки. Полученные данные показали гораздо более сложную картину, нежели простые изменения климата, предсказанные Миланковичем. Астрономическую теорию снова отодвинули на второй план.

Однако сегодня она служит основой для изучения плейстоценового ледникового периода, и ее обычно именуют теорией Миланковича или изредка — теорией Кролля — Миланковича. Нет никаких сомнений, что изменения климата определяются именно теми факторами, которые исследовали эти ученые — эксцентриситетом, наклоном оси и прецессией, хотя до сих пор ведутся серьезные дискуссии, как именно это происходит. Для плейстоценового ледникового периода чередование ледниковых и межледниковых эпох, похоже, сильнее всего коррелирует с изменениями инсоляции примерно на 65° северной широты.

Прорывом, подтвердившим астрономическую теорию, стали исследования кернов в глубоководных отложениях 1970-х годов. В них температуру морской воды оценивали по измерениям соотношений между изотопами кислорода в крохотных раковинах ископаемого планктона (эти величины зависят от температуры). Оказалось, что температура морской воды менялась синхронно с изменениями инсоляции, вычисленными по теории Кролля — Миланковича. Такие колебания температуры обнаруживаются по данным кернов из осадочных пород со всего мира, а это говорит о том, что перемены были глобальными.

Керны из морских отложений продолжают играть важную роль в исследованиях ледниковых периодов. Однако революцию в изучении плейстоценового ледникового периода произвели сведения из другого источника: ледяные керны из Гренландии и Антарктиды. Ледяные керны не уходят в прошлое так далеко, как осадочные, однако дают непрерывную фиксацию множества циклов ледниковых и межледниковых эпох в плейстоцене. Важно отметить, что лед залегает различимыми годовыми слоями, что позволяет точно датировать многие из этих циклов. В ледяной ловушке спрятаны сведения о температуре, составе атмосферы и даже силе ветра в конкретный период времени, а также детали извержения вулканов. Такая информация оказывается бесценной для проверки теоретических моделей климата, потому что надежно спрогнозировать будущий климат может только та модель, которая способна воспроизвести десятки тысяч лет реальных климатических изменений, зафиксированных в ледяных кернах.

Идея, что с помощью ледникового льда можно заглянуть в прошлое, восходит как минимум к 1930-м годам, когда немецкий ученый Эрнст Зорге участвовал в метеорологической экспедиции в Гренландии. Условия были суровыми: зиму он провел, скрываясь от непогоды в снежной пещере. Но когда погода позволяла, он выбирался из укрытия и рыл неподалеку глубокую яму. Зорге тщательно исследовал и описал слои, составлявшие стены этой ямы. Он пришел к выводу, что слои фиксируют условия в центральной Гренландии, простирающиеся на неопределенное время в прошлое. Однако современное бурение ледяных кернов для использования этих данных началось только в 1950-х годах — в основном благодаря инженерным войскам США. В те времена холодной войны американская армия хотела знать, можно ли построить на ледниках Гренландии аэродром и сажать на него тяжелые самолеты. Но прежде всего нужно было выяснить как можно больше о физических свойствах льда и снега. В условиях такого своеобразного симбиоза с военными многие ученые интересовались чисто научными аспектами изучения ледников — например, как поверхностный снег превращается в твердый лед, как меняется лед с увеличением глубины, и особенно тем, можно ли восстановить условия прошлого по кернам льда.

Первое по-настоящему глубокое бурение в Гренландии провели в 1966 году на американской базе Кэмп Сенчури. Масштабная операция, потребовавшая практически шесть лет, дала первый сплошной ледяной керн, проходящий через ледник сверху донизу и в итоге достигший коренной породы на уровне 1387 метров ниже поверхности. Буровой бригаде пришлось решать проблемы бурения сквозь постоянно движущийся лед (даже внутри массивного ледяного щита происходят постоянные перемещения), а также проблемы с прочностью скважины (давление окружающего льда пыталось ее разрушить). Работа велась в крайне сложных условиях: ледяная шапка Гренландии не особо гостеприимна в любое время года, не говоря уже о разгаре зимы. Справившись с бурением в Кэмп Сенчури, бригада не стала почивать на лаврах. Всего через несколько месяцев после завершения работы на острове специалисты отправили оборудование на другой край Земли и установили его на антарктической научной станции Бэрд. Имея за плечами гренландский опыт, они уже через полтора года добились еще одного достижения — получили сплошной керн, проходящий через антарктический ледяной щит на глубину более двух километров.

Во время бурения в Кэмп Сенчури ученые изучали и фотографировали участки ледяного керна по мере их извлечения, вели различные измерения, а сам лед сохраняли при низких температурах для будущих исследований. Образцы также отослали в Копенгаген датскому гляциологу Вилли Дансгору (самому ему не разрешили посетить место бурения и взять образцы, поскольку работы шли в американской военной зоне). Ранее Дансгор обнаружил, что изотопы кислорода в дожде и снеге являются индикаторами температуры, и высказал предположение, что ежегодные отложения гренландских снегов могут сохранять данные о температурах в прошлом нашей планеты. Первоначально он считал, что керн из Кэмп Сенчури может дать образцы для нескольких сотен лет, но оказалось, что он охватывает более ста тысяч лет истории. Его измерения — первые из тысяч измерений изотопов кислорода, которые позже проводили ученые с кернами из полярных льдов — детально показали, как менялась температура в Гренландии за этот период (рисунок 22).

Изотопы кислорода были краеугольным камнем исследований ледяных кернов с самых первых лет их проведения. Однако для отслеживания температуры разработаны и другие методы, и они подтверждают данные, полученные с помощью изотопов кислорода. Гренландский лед дает фиксацию только одного из многочисленных циклов ледниковых и межледниковых эпох, составлявших плейстоценовый ледниковый период, однако керны из Антарктиды дают информацию по многим циклам, а разрешение в мелком масштабе, обеспечиваемое слоями льда, позволяет изучать периоды потепления и остывания с мельчайшими подробностями. Наличие нескольких разных кернов из Гренландии и Антарктиды дает возможность сравнить графики температур, полученных из разных мест бурения, и тем самым проверить правильность хронологии для отдельных кернов. Особенно показательными оказались сравнения отдаленных кернов — из Гренландии и Антарктики: хотя они показывают, что изменения температуры во время ледниковых циклов были глобальными и примерно совпадали, они также демонстрируют, что в разных частях Земли их интенсивность была разной — отражение сложностей в климатической системе, которые до сих пор полностью не изучены.

Хотя информация о температуре важна, не менее ценны сведения, которые проливают свет на содержание парниковых газов в атмосфере. Но как получить изо льда информацию о парниковых газах? На самом деле довольно просто. Когда снег падает на ледники, сжимается и превращается в лед, в нем остаются крохотные пузырьки воздуха. Верхние слои ледяных кернов из Гренландии и Антарктиды полны видимых пузырьков — фактически крохотных капсул времени, содержащих образцы атмосферы, существовавшей на момент образования льда. Глубже в кернах пузырьки становятся меньше, и в конечном итоге исчезают из-за высокого давления, но воздух все же можно добыть, просто растопив лед. Полученные таким образом образцы воздуха оказываются очень маленькими, но современные аналитические приборы способны фиксировать даже исчезающе малое количество микропримесей газов, которые они содержат — например, двуокиси углерода или метана.

Рисунок 22. Первоначальные данные Вилли Дансгора по изотопам кислорода в ледяных кернах, полученных в 1966 году в Кэмп Сенчури (Гренландия). Ось времени логарифмическая и показывает время в годах перед 1968-м. Дансгор использовал временную шкалу, основанную на простой модели накапливания льда; сейчас известно, что она становится несколько неточной за пределами промежутка в 15 000 лет: на основании недавних корректировок на вертикальной оси показано истинное положение уровня 100 000 года. Как отмечено на диаграмме, меньшие значения для изотопов кислорода соответствуют более низким температурам, а большие — более высоким. Сплошная вертикальная линия соответствует современному состоянию. (Основано на рисунке 6–1 из работы Dansgaard, W. 2000; авторские права принадлежат Центру льда и климата Института Нильса Бора).

Во внутренних частях Антарктиды температуры оставались достаточно низкими, чтобы предотвратить таяние ледников даже в межледниковые эпохи, и поэтому ледяные керны с этого континента уходят в прошлое гораздо дальше, чем гренландские. Рисунок 23 показывает данные, полученные от одного из таких кернов: температура и другие свойства фиксируются с беспрецедентной точностью. Из этих данных можно сделать несколько выводов. Во-первых, хотя видны периодические изменения температур, эти колебания не идеально правильны. При беглом взгляде кажется, что пики (теплые периоды) на графике температур на рисунке 23 выглядят так, будто они случаются регулярно каждые 100 000 лет, однако, если присмотреться, видна их переменная продолжительность (это будет еще заметнее в тех данных из Антарктиды, которые соответствуют более далекому прошлому). Кроме того, для разных эпох отличаются формы пиков и впадин. Во-вторых, повышение температуры в начале теплых отрезков происходит гораздо быстрее, чем последующее охлаждение, что придает графику пилообразный вид. И наконец, теплые промежутки очень коротки. За последний миллион лет или больше средние температуры были существенно ниже современных.

Что могут рассказать такие наблюдения о циклах плейстоценового ледникового периода и в целом о том, как климатическая система Земли реагирует на различные действующие факторы (климатологи используют термин «действующие факторы» практически для всего, что влияет на изменение климата — от парниковых газов до альбедо и астрономических параметров)? Самое очевидное в данных из кернов — циклы температуры в 100 000 лет, которые в точности согласуются с теорией Миланковича, потому что эксцентриситет орбиты Земли меняется с таким же периодом в 100 000 лет: орбита из почти правильной окружности становится слегка вытянутым эллипсом, а затем меняется обратно. Два других фактора, рассмотренных Миланковичем — наклон оси и прецессия — обладают другой периодичностью: соответственно, примерно 41 000 и 23 000 лет. На графиках, подобных рисунку 23, такие периоды сразу не заметны, но в конечном итоге именно сочетание всех трех этих астрономических параметров и определяет, сколько солнечной энергии падает на различные точки поверхности нашей планеты. Если графики, подобные тем, что изображены на рисунке 23, разложить на компоненты, используя математические методы спектрального анализа, окажется, что их общий внешний вид действительно является совокупным результатом изменений, которые имеют периоды в 100 000, 41 000 и 23 000 лет. Такой анализ похож на то, как если бы мы взяли звуки симфонического оркестра и выделили отдельные музыкальные частоты, составляющие общее звучание: одни частоты важнее других. В случае температурных данных оказывается, что наиболее важными частотами являются три этих астрономических цикла, и это убедительно доказывает, что внешние факторы действительно оказывают сильное влияние на климат Земли. Поскольку астрономические циклы имеют разные периоды, иногда их воздействие складывается, и общий эффект усиливается, а иногда они нейтрализуют друг друга, и общий эффект ослабевает. В конечном итоге получается не идеально правильная последовательность ледниковых и межледниковых эпох.

Менее понятно, почему график температуры имеет пилообразный вид — с медленным переходом в ледниковые эпохи и очень резким переходом к более теплым межледниковьям. Кажется вероятным, что потепление происходит, когда все астрономические параметры сочетаются так, что поступающая солнечная энергия как в северном, так и в южном полушарии превосходит некоторое пороговое значение. Но почему изменения происходят так быстро, пока неясно. Почти наверняка эти изменения инсоляции усиливаются другими факторами — альбедо, парниковыми газами, изменениями в циркуляции воды в океанах.

Рисунок 23. Температура, содержание углекислого газа и содержание метана в атмосфере за последние 400 000 лет по измерениям ледяного керна со станции «Восток» в Антарктиде. Обратите внимание, что температура указана не в абсолютных значениях, а в виде отклонений от современного значения. Концентрации углекислого газа даны в виде числа частей на миллион по объему; современная концентрация взлетела до уровня 385, выходит за рамки шкалы, и здесь не показана. Концентрации метана даны в виде числа частей на миллиард по объему. (Данные взяты из работы: J. R. Petit et al., Vostok Ice Core Data for 420,000 Years, IGBP PAGES/World Data Center for Paleoclimatology Data Contribution Series 2001–076 [Boulder, CO: NOAA/NGDC Paleo climatology Program, 2001]. Смотрите также Petit et al. 1999).

Работа с циклами ледниковья-межледниковья в плейстоценовом ледниковом периоде подчеркнула важность таких усилений или факторов обратной связи для климатической системы Земли. Ученые также показали, что взаимодействия между этими механизмами чрезвычайно сложны: небольшие изменения в одном могут внезапно привести к огромным отклонениям в другом. Однако в целом исследователи климата получили хорошее общее представление о том, как действуют самые важные факторы обратной связи, и как некоторые из них взаимодействуют между собой.

Оказалось, что альбедо — один из самых важных параметров. Оно оказывает прямое влияние на среднюю температуру: высокое значение альбедо означает такое эффективное охлаждение Земли, что если бы нашу планету окутать белым одеялом, она бы замерзла (вот почему только суперпарниковый эффект может объяснить возврат Земли в теплое состояние после протерозойских периодов существования Земли-снежка). Для регулирования общего альбедо Земли важны природа и распределение различных типов поверхностей. Например, океаны отражают гораздо меньше солнечной энергии, чем континенты, и поэтому они поглощают больше тепла. Пустыни поглощают меньше энергии, чем леса, а снега и льды не поглощают почти ничего. Появилось предложение экономически эффективного способа борьбы с глобальным потеплением: использовать кровельные материалы исключительно белого цвета, увеличив тем самым среднее альбедо Земли. Резкий усиливающий эффект относительно небольших изменений альбедо в последние годы продемонстрировало быстрое потепление Арктики. До недавнего времени вместо морского льда, таявшего летом, в зимние морозы появлялся новый лед, и среднегодовое альбедо Арктики сохранялось примерно на одном уровне. Однако по мере потепления климата Земли образования нового льда перестало хватать для компенсации летнего таяния, и в результате с каждым годом увеличивалась площадь открытой воды, на которую падают солнечные лучи. Это привело к ускоренному потеплению, быстрому таянию ледников Гренландии, открытию северных судоходных путей, которые ранее считались непроходимыми из-за льдов, и схлопыванию среды обитания белых медведей. Хотя важность альбедо знали давно, скорость и интенсивность арктического потепления застала большинство ученых врасплох, поскольку температуры росли гораздо быстрее, чем могли предположить еще несколько лет назад. Некоторые специалисты прогнозируют, что всего через несколько десятилетий Северный Ледовитый океан в летние месяцы будет полностью свободен от льдов.

Важную роль обратной связи в климатической системе играют и парниковые газы. Данные ледяных кернов показывают, что существует корреляция между температурой и количеством парниковых газов в атмосфере: в холодные ледниковые эпохи концентрация меньше, а в теплые межледниковые — больше (рисунок 23). Когда эту корреляцию обнаружили впервые, было непонятно, что является причиной, а что следствием. Однако тщательное изучение хронологии показывает, что содержание углекислого газа отстает от температуры как минимум на несколько сотен лет; поэтому изменение его уровня должно быть следствием изменений в цикле ледниковья-межледниковья, а не причиной. Аналогичная ситуация наблюдается и для метана.

Нетрудно объяснить более высокую концентрацию метана в теплые периоды: основным природным источником этого газа является бактериальное разложение органического материала на болотах, а высокая температура ускоряет этот процесс. Кроме того, при таянии высокоширотной вечной мерзлоты во время межледниковий площадь заболоченных территорий увеличивается, что еще сильнее повышает производство метана. Во время ледниковых эпох наблюдаются обратные процессы.

Однако для двуокиси углерода картина не так ясна — отчасти из-за того, что источники атмосферного углекислого газа более сложны, чем источники метана. В масштабе циклов ледниковья-межледниковья его концентрация в атмосфере зависит от нескольких факторов, включая биологический круговорот углерода, температуру океанов и циркуляцию воды в них. Океаны особенно важны, поскольку содержат огромные объемы углекислого газа (сейчас примерно половина двуокиси углерода, выбрасываемой человечеством в атмосферу, поглощается океанами и будет сохраняться там тысячи лет и больше). Но вне зависимости от вовлеченных процессов увеличение концентрации двуокиси углерода во время межледниковых эпох действовало как мощная положительная обратная связь: оно усиливало потепление. Аналогичным образом уменьшение концентрации во время ледниковых эпох усиливало охлаждение; точно так же обстояли дела и с содержанием метана. Моделирование изменений температуры в плейстоценовый ледниковый период попросту не соответствует данным ледяных кернов, если в модели не принять во внимание эффекты обратной связи, соответствующие изменениям содержания парниковых газов (особенно с углекислого газа).

Существуют и другие факторы, создающие обратную связь, хотя в основном они менее изучены, чем изменения альбедо и содержания парниковых газов. Сюда входят некоторые явления, которые косвенно воздействуют на альбедо. Например, по мере роста ледников понижается уровень моря; это увеличивает общую площадь континентов и тем самым общее альбедо Земли. На альбедо влияют и значительные изменения растительного покрова в ходе циклов ледниковых и межледниковых эпох. С понижением температуры растительный покров заметно уменьшается, особенно в высоких широтах и на больших высотах. Поэтому когда альбедо увеличивается, увеличивается и количество пыли в атмосфере (этот эффект зафиксирован по увеличению количества пыли в ледяных кернах). Запыленная атмосфера частично блокирует поступающие солнечные лучи, что тоже дает подкрепляющую обратную связь. Во время теплого межледниковья более высокая температура обеспечивает усиление испарения и повышение влажности; однако водяной пар — это мощный парниковый газ, а потому такая ситуация способствует еще большему повышению температуры. Каждый из таких факторов обратной связи усиливает температурные колебания во время циклов ледникового периода.

Общая картина, сложившаяся в результате многих десятилетий исследования ледяных кернов и кернов из океанических осадочных пород, а также изучения других климатических данных, такова: астрономические циклы Миланковича инициировали и регулировали переходы между ледниковым и межледниковым климатом во время плейстоценового ледникового периода, однако эти тенденции усиливались из-за собственных реакций климатической системы Земли. Самые большие колебания инсоляции во время циклов Миланковича отмечались в высоких широтах, там же происходили и самые серьезные колебания температуры. В режиссировании ледниковых циклов особенно важную роль, похоже, играет северное полушарие — возможно, из-за расположения континентов, где на полюсе находится Северный Ледовитый океан, а материки его окружают.

Понимая, как ледниковые циклы работали в прошлом, можно попробовать заглянуть в будущее и спросить, когда астрономические параметры снова будут сочетаться так, чтобы в высоких широтах северного полушария лето стало исключительно прохладным — по-видимому, именно это условие вызывало ледниковые эпохи в прошлом. Теплые межледниковые эпохи обычно оказывались короткими — 10–20 тысяч лет, поэтому, глядя на графики вроде изображенных на рисунке 23, можно подумать, что неизбежно новое наступление льдов. Действительно, когда впервые появилась хронология ледниковий и межледниковий, средства массовой информации заполонили страшные истории о вероятном возвращении ледников. Однако вам не о чем беспокоиться; не стоит тревожиться и вашим внукам. Параметры орбиты сговорились устроить нынешнюю межледниковую эпоху особенно долгой: вычисления будущих изменений инсоляции в северном полушарии показывают, что для промежутка минимум в тридцать тысяч ближайших лет вероятность наступления ледниковой эпохи невелика. Причем этот прогноз не принимает во внимание усиление потепления из-за сжигания ископаемого топлива, которое, вероятно, сократит массу высокоширотных льдов сильнее, чем это было во времена прошлых межледниковий. Это повлияет на альбедо и в силу обратной связи еще больше продлит теплый период.

Что ж, возможно, нам не стоит нервничать по поводу возращения ледникового климата в ближайшее время, однако данные ледяных кернов с высоким разрешением заставляют беспокоиться о другом: об очень резких изменениях климата. Керны показывают, что в прошлом температуры в Гренландии круто менялись в течение десятилетий и даже меньше. Как колебания температуры в Гренландии соотносятся с другими частями планеты, точно не известно, однако даже гораздо меньшие изменения, произошедшие за такие короткие сроки, имели бы разрушительные последствия для сельского хозяйства и человеческого общества. Сейчас этими резкими переменами климата занимается множество ученых, но их причины все еще неясны, а прогнозирование проблематично.

Ледяные керны показывают, что в течение последних 11 тысяч лет (примерно с момента выхода северного полушария из последней ледниковой эпохи) температура была удивительно стабильной (рисунок 24). Имеется один существенный выброс: примерно 8200 лет назад отмечен кратковременный (менее двухсот лет) холодный период; в оставшееся время температура колебалась более или менее случайным образом в небольшом диапазоне. При этом ранее зафиксированы огромные колебания. Серьезное падение температуры примерно 13 тысяч лет назад ознаменовало этап оледенения, названный климатологами поздним дриасом (название дано по холодолюбивому цветку дриаде восьмилепестковой; обычно она встречается в Арктике, но во время этого периода распространилась по Европе). Поздний дриас продолжался примерно тысячу лет и закончился, когда всего за десятилетие температура поднялась на 10 градусов по Цельсию. Если двигаться по времени еще дальше назад, то ледяные керны показывают серию кратковременных теплых интервалов, которые прерывают ледниковую стужу (рисунок 24). Эти колебания называются осцилляциями Дансгора — Эшгера в честь двух ученых, их открывших. Во время таких коротких температурных отклонений Гренландия за считанные десятилетия нагревалась почти до условий межледниковья, а затем температура несколько медленнее опускалась до исходного уровня. Несмотря на свою непродолжительность, осцилляции Дансгора — Эшгера, обнаруженные в ледяных кернах Гренландии, по-видимому, имели глобальный характер. Их влияние можно заметить в различных палеоклиматических показателях даже в Китае и Карибском бассейне.

Рисунок 24. Слева: данные по изотопам кислорода, полученные из ледяного керна в северной Гренландии, показывают, что последние 8000 лет климат был крайне стабильным по сравнению с предыдущими годами. Серым цветом выделены два холодных отрезка: поздний дриас, начавшийся примерно 13 000 лет назад, и меньшее по масштабу похолодание 8200 лет назад. Справа: данные по изотопам кислорода, полученные из более раннего фрагмента того же керна, показывают многочисленные осцилляции Дансгора — Эшгера (Д — Э), происходившие в период между 20 000 и 50 000 лет назад, когда Земля находилась в тисках ледниковой эпохи. Обратите внимание, что временная шкала для двух частей рисунка отличается. (Основано на данных Проекта бурения в северной Гренландии [NGRIP], измерения сделаны в Институте Нильса Бора, Копенгагенский университет; смотрите Andersen et al. 2004).

Эти кратковременные изменения климата были слишком быстрыми и происходили слишком часто, чтобы связывать их с астрономическими колебаниями инсоляции. Как и в случае циклов ледниковий-межледниковий, пузырьки воздуха в ледяных кернах показывают, что в это время в теплые отрезки концентрация парниковых газов увеличивалась, а в холодные — понижалась. Так же, как и для чередования ледниковых и межледниковых эпох, колебания уровня парниковых газов скорее следовали за изменениями температуры, а не вызывали их — вероятно, по тем же причинам. Большинство палеонтологов полагают, что эти кратковременные события были вызваны какими-то возмущениями в климатической системе Земли, которые резко перебросили ее из одного относительно стабильного состояния в другое. Природа этих возмущений в точности неизвестна, однако, возможно, они связаны с изменениями в океанической и атмосферной циркуляции, которые являются основными механизмами переноса тепла по земному шару.

Существенным аргументом для такого вывода является тот факт, что колебания в Гренландии были более сильными, чем в Антарктиде. Кроме того, многие из крупных изменений не совпадали по фазе между полушариями. Например, керны антарктического льда демонстрируют потепление в тот момент, когда температура в Гренландии во время позднего дриаса падает. Правдоподобное, но пока еще не имеющее доказательства объяснение состоит в том, что поток теплых поверхностных вод из тропических широт в Северную Атлантику, который сейчас обеспечивает Гольфстрим, замедлился или остановился. При этом Гренландия охладилась, зато в южном полушарии осталось больше теплых вод, и поэтому оно оказалось в результате теплее обычного.

Но что могло вызвать изменение океанической циркуляции? Для таких холодных периодов, как поздний дриас и кратковременное похолодание 8200 лет назад, есть хорошие кандидаты. Оба похолодания наступили, когда мир переходил от ледниковой эпохи к межледниковой. Ледяные щиты северного полушария таяли и выделяли гигантское количество пресной воды; часто она сохранялась в огромных озерах, которые периодически прорывались через тающий ледяной барьер и колоссальными потоками устремлялись в океан. Полевые исследования и тщательное датирование идентифицировали такие события как в начале позднего дриаса, так и непосредственно перед резким похолоданием 8200 лет назад. В случае позднего дриаса огромное ледниковое озеро, покрывавшее части центральной Канады и США, затопило северо-запад континента вдоль отступающей ледяной шапки и прорвалось по бассейну реки Маккензи к Северному Ледовитому океану. К моменту 8200 лет назад ледники отступили еще больше, и у их южных окраин снова скопились огромные объемы талой воды. Ледяной барьер снова прорвался, и колоссальный поток пресной воды устремился на север, на этот раз в Гудзонов залив и Северную Атлантику.

Сегодня соленая вода течет из тропиков в Северную Атлантику, охлаждается, становится очень плотной, погружается и создает глубоководное течение, направленное на юг. Этот процесс, подобно конвейерной ленте, постоянно доставляет теплую воду на север, отводя при этом обратно холодную воду в глубине океана. Но когда в Северный Ледовитый океан и в Северную Атлантику хлынуло большое количество пресной воды с низкой плотностью, плотность поверхностных вод понизилась, и это мешало им опускаться. Лента конвейера остановилась или как минимум сильно замедлилась. Тепло, обычно шедшее на север, осталось в тропиках, североатлантический регион охладился, а Антарктика потеплела. Такой сценарий может объяснить резкое похолодание в Гренландии 8200 лет назад и во время позднего дриаса; однако причина появления теплых интервалов при осцилляциях Дансгора — Эшгера менее понятна. Они тоже не совпадают по фазе между Гренландией и Антарктидой и должны быть связаны с изменениями в циркуляции, переносящей тепло между полушариями. Однако пока неясно, что запускает такие изменения в циркуляции.

Изучение резких перемен климата — пока молодая область науки. Кажется, что почти в любом очередном номере серьезных научных журналов появляются новые данные о быстром изменении климата, полученные от ледниковых льдов, озерных отложений или пещерных сталактитов — любых объектов, которые медленно нарастают и тем самым дают ключи к климату прошлых эпох. Чтобы получить более глобальное представление о прошлых колебаниях температуры, ледяные керны добывают не только в полярных областях, но и на небольших ледниках Анд и Гималаев; кроме того, ученые разрабатывают новые методы анализа. В какой-то степени эти усилия вызваны чисто научным интересом, однако новый импульс им придала повсеместная озабоченность тем, как климат будет развиваться в будущем. Парниковые газы, уже выброшенные в атмосферу в результате использования ископаемого топлива, будут согревать планету многие века, и повышение температуры ускорится, если мы в ближайшее время не сократим количество этих выбросов. Цель многих климатологов — установить, в какой момент такие изменения могут перевести Землю в другое климатическое состояние, которое положит конец относительной стабильности климата, которой наш мир благополучно пользовался многие тысячи лет, и вызовет резкие скачки климата, характерные для более отдаленных эпох. Пока эта цель ускользает. Но всем нам надо надеяться, что климатологи добьются успеха.

Глава 9

Великое потепление

В 1991 году одна из статей журнала Nature рассказывала о том, что ее авторы называли «примечательным отклонением в изотопах кислорода и углерода… в конце палеоцена». Для тех, кто не разбирается в тонкостях палеоклиматологии, это может показаться бессмысленным набором слов. Однако описанное в статье отклонение в изотопах (измерения проводили для глубоководных отложений, датируемых возрастом примерно 55 миллионов лет назад) сигнализировало, что в этот момент общемировая температура внезапно и очень резко выросла, и что океаническая циркуляция претерпела радикальные перемены. Мало того, эти изменения совпали с исчезновением многих видов фораминифер — распространенной разновидности планктона. Ясно, что на поверхности Земли произошло нечто необычное. Но что?

Авторы статьи в Nature, Джеймс Кеннетт из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Ловелл Стотт из университета Южной Калифорнии, изучали отложения возрастом 55 миллионов лет, поскольку хотели выяснить, что вызвало внезапную кончину такого множества видов планктона. Они и представить не могли, какой интерес вызовет их работа. Даже сейчас, спустя два десятка лет после публикации, зафиксированное ими быстрое изменение климата — частая тема разговоров на научных конференциях и статей в научных журналах, а темпы исследований в этой области растут и растут. Интервал, установленный Кеннеттом и Стоттом, часто именуют «великим потеплением». Официально его называют палеоцен-эоценовым термическим максимумом (ПЭТМ).

ПЭТМ наступил тогда, когда Земля в целом была намного теплее, чем сейчас: даже полярные регионы в основном были свободны от льдов. Сведения о климате тех времен получают в основном при изотопных исследованиях кернов глубоководных отложений, особенно соотношений изотопов кислорода в раковинах ископаемого планктона. Соотношения отражают температуру воды во время жизни этих организмов — хороший показатель общего климата. Данные изотопов показывают, что даже во времена относительно мягкого и стабильного по мнению большинства ученых климата, имелись короткие отрезки, когда глобальные температуры быстро росли, оставались на некоторое время высокими, а затем возвращались к первоначальным значениям. ПЭТМ среди этих подъемов был одним из самых резких.

Но к чему все это беспокойство по поводу какого-то короткого интервала высоких температур, зафиксированного десятки миллионов лет назад? Отчасти это связано с необычной природой ПЭТМ: аномальные события в геологической летописи всегда привлекают внимание, поскольку могут оказаться особенно полезными для понимания того, как работает система нашей планеты. Но дело также в том, что описанное Кеннеттом и Стоттом отклонение в изотопах было вызвано появлением в системе океан-атмосфера огромного количества углерода (в виде двух содержащих углерод соединений — углекислого газа и метана) за очень короткое время. Все имеющиеся данные говорят, что этот объем сопоставим (или, возможно, превышает) с тем, который будет высвобожден в результате человеческой деятельности в течение нескольких следующих столетий. Это может сделать ПЭТМ хорошим примером при прогнозировании будущего изменения климата планеты.

Несмотря на то, что ПЭТМ активно изучают, его по-прежнему часто именуют загадкой. Откуда взялся весь этот углекислый газ, и что вызвало его появление? И куда он в конце концов делся? В каком-то смысле геологи и геохимики, изучающие эти и другие проблемы, похожи на детективов, собирающих доказательства и выдвигающих гипотезы, что могло произойти. Иногда ту или иную гипотезу приходится отвергнуть, поскольку она не соответствует новым фактам; иногда при обнаружении новых данных появляется новое предположение. Однако до сих пор нет единой гипотезы, которую все сочли бы правильной: эта загадка, хотя и менее таинственная, чем раньше, все еще полностью не решена.

Давайте посмотрим на некоторые факты и подумаем о возможных причинах. Одним из самых впечатляющих признаков ПЭТМ является серьезное и очень стремительное изменение соотношения двух изотопов углерода — углерода-13 и углерода-12; это то самое отклонение в изотопах, обнаруженное Кеннеттом и Стоттом. Последующие исследования показали, что сдвиг изотопов произошел не только в раковинах планктона, но и касался углерода во всех его разнообразных формах на суше, в океане и атмосфере. Это крайне заинтересовало ученых, поскольку такие масштабные и повсеместные перемены указывают на серьезные нарушения в геохимическом цикле углерода на Земле.

Геохимики давно осознали, что для многих химических элементов существуют прочные взаимосвязи между событиями в различных частях Земли: процессы в коре могут влиять на океан, процессы в океане затрагивают атмосферу, и так далее. Такие взаимосвязи удобнее рассматривать в терминах геохимических циклов: многие химические элементы проходят через разные части планеты и возвращаются в исходную точку. На поверхности Земли часто действуют процессы обратной связи, которые поддерживают баланс концентрации этих элементов или как минимум удерживают их в определенных пределах, предотвращая скапливание их в одной части планеты за счет других частей.

Особенно интересный (и сложный) геохимический цикл имеет углерод. Это важнейший компонент всего живого: все клетки растений, животных и бактерий содержат этот элемент, поэтому на цикл углерода действуют и биологические, и неорганические процессы. Кроме того, существенными участниками геохимического цикла углерода являются два важнейших парниковых газа — углекислый газ и метан, поскольку углерод входит в их состав. Между различными «резервуарами» — океанами, атмосферой, биосферой (любой жизнью), почвой, отложениями и озерами — перемещается огромное количество углерода. Важной частью цикла является фотосинтез: растения забирают углекислый газ из атмосферы, используют его для получения органического углерода в своих клетках, а обратно в атмосферу выделяется кислород. Когда растения умирают, органический углерод может окисляться и быстро возвращаться в атмосферу в виде углекислого газа, а может сохраняться в почве или отложениях в течение тысяч и миллионов лет. В болотах и других средах с малым доступом кислорода бактерии превращают углерод умерших растений в метан, который создает пузыри «болотного газа» и уходит в атмосферу. Иногда органический углерод ускользает от атак бактерий и образует слои торфа или угля, если торф залегает глубоко и нагревается. Углерод, сохраняющийся в виде торфа или угля, устраняется из активного углеродного цикла на очень долгие промежутки времени.

Фотосинтезирующий планктон, живущий в освещенных солнцем приповерхностных водах океана, использует углекислый газ для создания органического углерода, как это делают наземные растения; однако часть этих организмов извлекает растворенный углерод из морской воды и создает раковины из карбоната кальция. Когда эти организмы умирают, и раковины, и органические остатки опускаются на большие глубины, тем самым удаляя углерод из поверхностных слоев океана. Часть этого углерода снова растворяется в морской воде, а часть оседает на дно и сохраняется в виде донных отложений. Геохимики называют этот процесс «биологическим насосом», потому что он лишает поверхностные воды двуокиси углерода, отправляя ее вниз, зато в эти теперь уже обедненные углекислым газом поверхностные воды попадает атмосферный углекислый газ и растворяется там. Поэтому концентрация парниковых газов в атмосфере находится в равновесии, на которое влияют различные процессы, участвующие в природном круговороте углерода. Это равновесие — по крайней мере, на короткое время — может нарушаться различными переменами в среде, включая независимые изменения температуры и климата. Например, поскольку холодная вода содержит больше диоксида углерода, чем теплая, повышение температуры морской воды вызывает частичное выделение этого соединения из океана в атмосферу, и его концентрация в воздухе повышается; наоборот, снижение температуры морской воды приведет к растворению в ней дополнительного количества диоксида углерода. На рисунке 25 показаны пути разного временного масштаба, входящие в геохимический цикл углерода.

В углеродном цикле есть еще один важный фрагмент. Как кратко описывалось в главе 7, в течение очень длительных периодов — миллионы лет и дольше — содержание углекислого газа в атмосфере регулируется за счет вулканической деятельности с одной стороны и химического выветривания поверхностных пород с другой. Лава, извергающаяся на поверхность Земли, приносит с собой растворенные в ней газы, включая двуокись углерода. При высоком уровне вулканизма углекислый газ в атмосфере накапливается, и температура повышается за счет парникового эффекта. Однако при повышении концентрации он сильнее растворяется в дождевой воде, вода становится кислотной и усиливает интенсивность химического выветривания. Более высокая температура тоже ускоряет выветривание. В результате получается отрицательная обратная связь: при повышении содержания углекислого газа в атмосфере стимулируются процессы, которые снижают его концентрацию.

Рисунок 25. Некоторые пути в углеродном цикле. Различные части цикла действуют в существенно разных временных масштабах. За миллионы лет углерод (в форме двуокиси) убирается из атмосферы посредством выветривания пород и фотосинтеза, откладывается в виде углеродсодержащих отложений в океанах или в виде органического материала в болотах на материках, долгое время сохраняется в виде карбонатных пород или ископаемого топлива. Это уравновешивается добавлением углекислого газа в атмосферу посредством вулканической деятельности. Кроме того, углерод путешествует через атмосферу, растения, почвы и океаны и в более коротких временных масштабах.

При химическом выветривании поверхностных пород образуются растворенные углеродсодержащие соединения; реки переносят их в океан, где они в конечном итоге и оседают на морском дне в виде карбонатных пород — таких как известняк. Если известняк попадает в зону субдукции, перемещается внутрь Земли и нагревается, то часть углекислого газа может вернуться в атмосферу в виде вулканических газов, завершая круговорот углерода. Известняк, который избежал этой участи, может сохранять некогда находившийся в атмосфере углерод в течение многих сотен миллионов лет.

Когда вулканическое поступление двуокиси углерода невелико, уравновешивающие силы действуют в обратном направлении: выветривание замедляется, а газ остается в атмосфере. Таким образом концентрация углекислого газа остается в тех пределах, которые делают поверхность нашей планеты пригодной для жизни: она не превращается ни в ледяную пустыню (как было бы при отсутствии парниковых газов), ни в пылающий ад (как происходит на Венере, атмосфера которой состоит в основном как раз из двуокиси углерода). Конечно, эта картина весьма упрощена — действуют и другие факторы. Однако общая концепция равновесия между вулканическим предложением с одной стороны и потреблением при выветривании с другой полезна при рассмотрении проблемы долгосрочного регулирования атмосферного углекислого газа.

Однако геологические данные в отношении ПЭТМ показывают, что какие-то кратковременные процессы полностью разрушили сбалансированную работу углеродного цикла. Изменение соотношения изотопов углерода, зафиксированное в начале этого интервала времени, произошло очень быстро, всего за несколько тысяч лет (рисунок 26). Такое быстрое начало подразумевает, что в систему океан-атмосфера внезапно попало большое количество углерода, а необычайно большое изменение в соотношении изотопов указывает, что соотношение изотопов в добавленном углероде сильно отличалось от того, что наблюдается в «нормальном» углероде. Поэтому подозрение быстро пало на метан.

Рисунок 26. Данные для палеоцен-эоценового термического максимума (ПЭТМ), полученные из керна осадочных пород, взятого в Южной Атлантике. В этом керне ПЭТМ начинается на глубине сразу после 140,1 м, где концентрация карбонатов быстро падает до нуля; спустя примерно 110 000 лет концентрация возвращается к уровню до ПЭТМ. Обратите внимание, что данные изотопов углерода для первой части ПЭТМ отсутствуют — в этом интервале просто недостаточно карбонатных раковин для анализа. Часть керна, где карбонаты не осаждались, соответствует периоду примерно в 60 000 лет. (Данные взяты из Zachos et al. 2005).

Почему метан? В тех единицах, что используются для соотношений изотопов углерода-13 и углерода-12, отложения тех времен, что непосредственно предшествовали ПЭТМ, имеют значения около +2,5. Вскоре после начала теплого периода значение упало практически до нуля, то есть почти на три единицы. Аналогичные изменения происходили с органическим углеродом на суше. Для мира изотопов углерода это очень большой сдвиг. Общее количество этого элемента, проходящего через различные резервуары в океанах, в атмосфере и на суше, настолько велико, что для изменения отношения изотопов хотя бы на одну единицу, не говоря уже о трех, требуется колоссальное добавление. Чем ближе отношение изотопов в добавляемом углероде к тому, которое уже имеется в системе, тем больше углерода придется добавить, чтобы добиться существенного сдвига в этом параметре. Биологически производимый метан имеет экстремальное соотношение изотопов углерода — оно примерно равно -60. Но даже при таком экстремальном значении, чтобы добиться наблюдаемого изменения в соотношении изотопов, нужно добавить от 2000 до 4000 миллиардов тонн метана. Если же брать углерод из других источников, то добавлять придется еще больше.

Обычно метан, который образуется при бактериальном разложении органики, медленно выделяется в атмосферу или (если бактерии живут в океанических отложениях) в морскую воду. Такие процессы происходят на болотах, на дне океана, на мусорных свалках и на очистных сооружениях. Однако для инициации ПЭТМ должно было произойти что-то совсем не похожее на такое медленное стабильное выделение. Сначала заподозрили участие метангидрата (или гидрата метана) — того самого соединения, которое, по мнению некоторых ученых, могло вносить вклад в отрезки суперпарникового климата, следовавших за состоянием Земли-снежка в протерозойском эоне. Гидрат метана — это похожее на лед твердое вещество, которое образуется только при низких температурах в особых условиях — таких как арктическая тундра или некоторые типы океанических отложений. Изучение континентальных шельфов — относительно мелководных частей океана, окружающих материки — показало, что сейчас в них весьма распространены слои этого вещества. Метангидрат содержит так много метана (примерно в 170 раз больше, чем в таком же количестве метанового газа), что эти месторождения рассматривают в качестве альтернативного источника природного газа (по оценкам, запасы гидратов содержат больше метана, чем традиционные источники природного газа). Это странное вещество: когда его извлекают с морского дна, оно выглядит куском льда, но поднесите к нему спичку, и оно загорится.

Метангидрат устойчив только в ограниченном диапазоне температуры и давления, и поэтому может существовать только в определенных средах. Его отложения в континентальных шельфах образуются, когда метан, произведенный бактериями донных отложений, оказывается запертым в ледяных слоях из-за низкой температуры на дне и высокого давления, создаваемого находящимися выше водами и отложениями. Из-за биологического происхождения у него есть необходимое экстремальное соотношение изотопов углерода, однако пока еще непонятно, достаточно ли запасов гидрата метана на континентальном шельфе 55 миллионов лет назад, чтобы объяснить сдвиг изотопного отношения при ПЭТМ. Имеется и еще одна проблема. Для резкой смены изотопного отношения этот метан должен был высвободиться быстро, причем в количестве, эквивалентном всем сегодняшним запасам метангидрата. Что могло запустить такое необычное событие?

Возможно, вы начинаете понимать, почему я сравнивал геохимиков, изучающих ПЭТМ, с детективами. Кажется, что новый факт указывает на какого-нибудь подозреваемого, но последующая проверка вызывает множество вопросов. К тому же иногда трудно расшифровать данные, которым 55 миллионов лет. В каком-то смысле замечательно уже то, что мы знаем так много.

Есть несколько механизмов, которые могли вызвать резкое выделение метана. Один из них — повышение температуры вод океана, которое привело бы к разложению отложений метангидрата на континентальном шельфе. Но почему эти воды должны нагреваться? Если причиной является какое-то изменение климата, то что вызвало это изменение? Также возможен вариант, что изменилась циркуляция воды: тогда повысилась не общая температура морской воды, а только температура в некоторых регионах; это привело к выделению метана, что, в свою очередь, вызвало общее потепление климата и новое выделение метана — своеобразный эффект снежного кома. Но тут тоже возникает вопрос, что могло вызвать такое исходное изменение циркуляции. Еще одна возможность — оползни по краям континентальных шельфов, которые дестабилизируют слои гидрата, высвобождая метан. Тут свои трудности: такой процесс должен происходить в больших масштабах за короткое время, что кажется маловероятным. Возможно, причиной стало сочетание различных механизмов, действующих более или менее одновременно. Но вне зависимости от механизма высвобождения неопровержимым фактом, похоже, является то, что основное количество добавленного углерода имело форму метана биологического происхождения.

В пересчете на объем метан примерно в восемь раз эффективнее углекислого газа задерживает тепло в атмосфере, поэтому добавление большого количества этого газа вызовет быстрое повышение общемировой температуры. Однако среднее время жизни молекулы метана в атмосфере до ее разрушения вследствие окисления не превосходит десяти лет. Этого слишком мало, чтобы нести ответственность за весь период потепления ПЭТМ: как бы резко он ни начался, но все же потребовались тысячи лет, чтобы достичь пиковых температур. Впрочем, первоначальный быстрый выброс реально огромных количеств метана временно превзошел бы окислительные возможности атмосферы, и время существования метана увеличилось бы во много раз. При таких обстоятельствах усиленный парниковый эффект и повышение температуры могли поддерживаться веками, это способствовало бы дальнейшему таянию гидратов и новым выбросам метана в атмосферу. Из-за потепления климата увеличились бы площади болот, а вместе с тем — производство метана болотными бактериями.

Кроме того, при окислении метана образуется углекислый газ. Он сохраняется в атмосфере гораздо дольше метана, и по мере окисления метана его концентрация бы росла, поддерживая первоначальное потепление. Этот вывод поддерживается данными, полученными от кернов из глубоководных отложений: они говорят, что в атмосфере ПЭТМ уровень двуокиси углерода был сильно повышен. Место в кернах, соответствующее началу палеоцен-эоценового термического максимума — точка, где изотопные значения для углерода быстро падают — отмечено слоем глины. Причина не в том, что на дно стало попадать больше частиц глины; причина в том, что снизилось появление других видов частиц — в частности, раковин планктонных организмов из карбоната кальция, прежде всего фораминифер, которые обычно являются преобладающим компонентом океанических отложений. Изменение содержания карбоната кальция заметно в океанических отложениях по всему миру и является одним из самых ярких признаков ПЭТМ (рисунок 26).

Но как это связано с углекислым газом в атмосфере? Резкое падение содержания карбоната кальция — от почти 100 % всех частиц в отложениях до почти нуля — произошло оттого, что океан стал более кислым, и в результате тонущие раковины планктона растворялись, не достигая дна. Любому геологу прекрасно известно, что карбонат кальция вступает в реакцию с кислотами. Простой тест на известняк (эта горная порода состоит в основном из карбоната кальция) — капнуть на образец одну-две капли слабой кислоты и посмотреть на результат. Если будет шипеть и растворяться, то это известняк. Увеличение количества углекислого газа в атмосфере повысит и его содержание в водах океана; показатель кислотности pH понизится, вода станет более кислой. (Это явление зафиксировано в современных океанах в результате неуклонного увеличения содержания углекислого газа в атмосфере за последние полсотни лет; морская вода стала заметно кислее, хотя пока такие изменения намного меньше того сдвига, что произошел во время ПЭТМ.)

Таким образом, степень растворения карбоната кальция в осадочных отложениях ПЭТМ — это косвенный показатель содержания двуокиси углерода в атмосфере того времени, и вместе с информацией о сдвиге изотопов углерода они являются основой для вычисления того объема углерода, который добавился к геохимическому циклу перед началом ПЭТМ. Вопрос, какая именно часть из необходимых нескольких тысяч миллиардов тонн изначально была метаном, пока остается открытым, однако в конечном итоге он превратился в углекислый газ, практически удвоив концентрацию в атмосфере по сравнению с ее значением до ПЭТМ (которое само по себе было высоким по современным стандартам). Температура морской воды постепенно повышалась, а глобальная средняя температура на поверхности упала минимум на пять, а возможно, и на девять градусов Цельсия.

Климатические модели, включающие все доступные данные для ПЭТМ, четко показывают, что, хотя инициация этого теплого периода произошла из-за быстрого выделения колоссального количества углерода, его существование поддерживалось далее новыми выбросами — либо постоянными, либо спорадическими. Модели также предполагают, что существовали процессы обратной связи, еще не полностью изученные, которые усилили парниковое потепление. Недавно появилось любопытное предположение, которое могло бы объяснить эти и другие озадачивающие аспекты ПЭТМ. Оно основано на двух совершенно разных видах данных: поведении озер в вулканических регионах и работе тектоники плит в Северной Атлантике во времена ПЭТМ.

В 1986 году около озера Ньос в Камеруне внезапно и загадочно погибло около двух тысяч человек и множество домашнего скота. Не было ни эпидемии, ни крупного землетрясения, ни извержения вулкана, ни серьезного шторма. Вскоре стало понятно, что смерть наступила в результате удушья. Произошел выброс углекислого газа; поскольку этот газ тяжелее воздуха, то смертоносное облако накрыло окрестности озера и распространилось по низменным территориям вокруг, удушая все живое на своем пути. Как и многие другие глубокие озера, озеро Ньос имеет стратифицированную структуру: теплые поверхностные воды имеют низкую плотность, а на глубине находится более холодная и тяжелая вода, и в результате это мешает перемешиванию. Однако Ньос находится в старом вулканическом кратере, и в его нижние слои постоянно просачиваются вулканические газы. В 1986 году какое-то событие — возможно, оползень или небольшое землетрясение — нарушило стратификацию озера, вызвав подъем глубоких вод, насыщенных углекислым газом. Попав в области с пониженным давлением, углекислый газ вырвался из раствора, буквально взорвавшись на поверхности водоема фонтаном из воды и газа высотой не меньше ста метров. Точные оценки показывают, что в этом одиночном эпизоде высвободилось более полутора миллионов тонн двуокиси углерода.

Мог ли аналогичный процесс, но в гораздо большем масштабе, спровоцировать наступление ПЭТМ? Пролив, разделяющий Норвегию и Гренландию, 55 миллионов лет назад был гораздо уже, чем сейчас (с тех пор спрединг дна океана раздвинул материки). Когда вулканическая деятельность подняла морское дно в южной части пролива, образовался глубокий изолированный бассейн, отрезанный от сообщения с Атлантическим океаном. В те времена сильного потепления и Гренландия, и Норвегия обладали густой растительностью, а уровень осадков был высоким. Поэтому в этот бассейн смывалось большое количество органического материала. Бактерии в отложениях производили много метана, а в нижние слои воды просачивался диоксид углерода из подстилающих вулканических очагов. В случае стратификации бассейна оба эти газа накапливались бы в придонных водах до высокого уровня.

Аргумент о стратификации носит умозрительный характер — в геологической летописи нет данных, которые бы подтверждали или опровергали такую возможность. Однако можно опираться на правдоподобность. Во времена ПЭТМ глубина бассейна превышала километр, и в силу изолированности от Атлантического океана циркуляция воды в нем отсутствовала или была ограничена. Решающее значение для возникновения стратификации имеет разница в плотности между поверхностной и глубокой водой, и в доминирующем теплом климате (даже на широте Гренландии температура поверхности составляла 20 градусов Цельсия или больше) поверхностные воды должны быть теплыми и потому обладать низкой плотностью. Приток пресной воды на мелководьях и добавление плотной соленой воды на глубине от вулканических источников еще больше должны усиливать контраст плотностей. В таких условиях концентрация метана и углекислого газа в придонных водах бассейна повышалась бы до насыщения, пока некое событие, как в случае с озером Ньос, не нарушило бы стратификацию со взрывным высвобождением растворенных газов. Этот бассейн, по оценкам, имел площадь с современное Красное море, и, хотя оценить объем метана и диоксида углерода в придонных водах непросто (оценка зависит от деталей топографии бассейна, о которых мало известно), там должно было содержаться не менее 100 миллиардов тонн метана. Выделения такого количества более чем достаточно, чтобы вызвать зафиксированное повышение температуры в период ПЭТМ. После такого взрыва стратификация бы восстановилась, и газы в глубоких водах бассейна стали бы накапливаться заново. Цикл мог повторяться — возможно, всего за несколько десятилетий.

Такой сценарий запуска глобального потепления в случае ПЭТМ предложила международная группа исследователей из Великобритании, Ирландии и Франции в статье 2009 года в журнале Nature. Эта идея привлекательна тем, что не предполагает разрушения гидратов метана одновременно во всем мире во время какого-то катастрофического события, что всегда казалось маловероятным. Авторы статьи в Nature сравнивают изолированный бассейн в Северной Атлантике с конденсатором, который раз за разом накапливает электрический заряд и разряжается. Если в течение тысячелетий каждые несколько десятков лет из стратифицированного бассейна выбрасывалось десятки миллиардов тонн метана плюс какое-то неизвестное количество углекислого газа, то это могло бы объяснить быстрое и устойчивое повышение температуры при ПЭТМ. Продолжительная работа такого механизма (пусть даже на ослабленном уровне) также объясняла бы поддержание высоких температур на протяжении свыше 100 000 лет. Этот «метановый конденсатор» прекратил работать, а глобальные температуры начали падать, когда восстановилось сообщение между этим бассейном и водами Северной Атлантики.

Выдвинуты и другие теории о формировании ПЭТМ, причем некоторые из них в качестве причины появления добавленного углерода называют не метан, а другие источники. Одно из предположений ссылается на удар кометы, содержащей большое количество углерода с нужным составом изотопов. Однако у такой идеи нет никаких доказательств — например, подходящего ударного кратера. Другие сценарии предполагают, что большое количество углекислого газа в атмосфере появилось в результате быстрого окисления органического углерода, сохранявшегося в осадочных отложениях. Например, одна идея состоит в том, что в каком-то глобальном пожаре из-за засушливого климата сгорели залежи торфа, который 55 миллионов лет назад был широко распространен. Моделью для такой гипотезы послужили масштабные лесные пожары 1997 года в Индонезии, вызванные засухой, связанной с явлением Эль-Ниньо[50]. В результате пожаров за относительно короткое время образовалось очень большое количество двуокиси углерода — примерно сравнимое с годовой выработкой всего человечества. Однако мы не знаем, был ли климат ПЭТМ настолько сухим, чтобы поддерживать глобальное горение торфа. Кроме того, изотопный состав обычного органического углерода из торфа далеко не так экстремален, как состав биологического метана, а поэтому для объяснения изотопного сдвига пришлось бы брать неправдоподобно большие его объемы.

Помимо проблемы с источником углерода, палеоцен-эоценовый термический максимум таит еще одну загадку для специалистов. Данные геологической летописи показывают, что непосредственно перед ПЭТМ содержание углекислого газа в атмосфере составляло примерно 1000 частей на миллион по объему (сравните с сегодняшним значением в 385 частей на миллион). Во время ПЭТМ концентрация почти удвоилась, повысившись до 1700 или 1800 частей на миллион. Это создает определенную проблему для современных разработчиков моделей, поскольку по нынешним представлениям о чувствительности климата к увеличению диоксида углерода (ключевого параметра для прогнозирования будущего климата), удвоение содержания углекислого газа в атмосфере должно приводить к повышению температуры на полтора, максимум на четыре градуса Цельсия, причем большинство соглашается, что реальный рост будет лежать ближе к нижней границе этого диапазона. Однако во время ПЭТМ содержание углекислого газа повысилось всего в 1,7–1,8 раза, а температура на поверхности по всему миру выросла на 5–9 градусов. Естественно, это важно для прогнозирования того, как будущее увеличение выбросов парниковых газов станет влиять на климат. Возможно, существуют механизмы обратной связи, о которых мы не знаем? И означает ли это, что не имеющий полярных льдов более теплый мир, существовавший 55 миллионов лет назад — это плохой аналог для понимания современных условий? К сожалению, однозначных ответов на эти вопросы пока нет.

Тем не менее, мы немало знаем о том, как климатические изменения во время ПЭТМ влияли на флору и фауну, и это может быть неплохим ориентиром для биологических последствий текущего глобального потепления. Как указывалось в начале этой главы, для ПЭТМ характерна высокая скорость вымирания некоторых планктонных организмов, особенно фораминифер. Однако вымирание было выборочным, захватившим в основном глубоководных фораминифер: исчезло от 35 до 50 процентов этих видов, что является крупнейшим вымиранием, поразившим эту группу за последние 90 миллионов лет. Меньше всего пострадали фораминиферы, обитающие в поверхностных водах: из-за повышения температуры морской воды изменились схемы их географического распределения, однако темпы исчезновения существенно не увеличились. Существует несколько причин разницы в воздействии на мелководные и глубоководные организмы. Например, карбонат кальция легче растворяется в холодной глубокой воде; поэтому, возможно, в нижних слоях вода стала настолько кислой, что глубоководные фораминиферы не смогли сохранить свои раковины. Кроме того, глубоководные фораминиферы, привыкшие к низким температурам, могли медленнее адаптироваться к теплу, нежели их собратья, обитающие у поверхности. Есть также предположение, что окисление большого количества метана, оказавшегося в глубоких водах, могло радикально истощить запасы кислорода, что и привело к гибели фораминифер. Все эти сценарии вполне правдоподобны, но доказательств пока нет.

Летопись окаменелостей на суше не так полна, но она тоже показывает основные изменения флоры и фауны во время ПЭТМ. Задолго до открытия этого теплого интервала было известно, что в начале эоцена произошли перемены в видовом составе млекопитающих, населявших северное полушарие. Тщательное сравнение данных по окаменелостям и изотопных данных показывает, что эти перемены практически точно совпадали с тем отклонением в составе изотопов, которое определяет ПЭТМ. Например, на западе Соединенных Штатов при начале ПЭТМ внезапно появились многие новые виды млекопитающих-«иммигрантов». Эти иммигранты быстро стали доминировать в регионе, а общее разнообразие видов увеличилось. В отличие от повышения температуры при ПЭТМ, такие биологические изменения оказались постоянными: когда климат постепенно вернулся к параметрам, которые были до ПЭТМ, новая экосистема млекопитающих сохранилась. Растения на повышение температур отреагировали в основном миграцией в более высокие широты и подъемом в горы. Эта картина напоминает изменения, которые происходили во времена ледниковых и межледниковых эпох в плейстоценовом периоде, когда виды растений северного полушария неоднократно перемещались на север во время межледниковий и на юг во время ледниковий. Примерно ту же реакцию биологи начинают наблюдать в ответ на сравнительно небольшое потепление последних полуста лет: это количественно незначительное повышение температуры привело к зафиксированному перемещению некоторых видов на большие высоты и в более высокие широты.

Возможно, самый важный вывод из палеонтологической летописи времен ПЭТМ (как для морских, так и для наземных организмов) заключается в том, что даже такое мгновенное по геологическим меркам событие, длившееся немногим более 100 000 лет, может иметь серьезные биологические последствия, и что эти изменения могут сохраняться еще долгое время после того, как само событие завершилось. Некоторые следствия ПЭТМ — например, влияние на млекопитающих — проявляются даже спустя 55 миллионов лет.

Если внимательно изучать различные данные об изменениях в течение ПЭТМ, то становится понятно, что в этом интервале было несколько отдельных стадий. Это четко видно по изотопам углерода (рисунок 26). Поначалу произошло быстрое падение значений в сочетании с резким повышением глобальных температур. Затем последовал период относительной стабильности, продолжавшийся примерно 60 тысяч лет, когда изотопные значения оставались на примерно постоянном, но гораздо более низком, чем до ПЭТМ, уровне. Затем наступила фаза восстановления, когда изотопные значения стремительно возрастали, а температура падала. Примерно так же ведут себя и другие параметры, например, содержание карбоната кальция в отложениях.

Важно понимать причины таких отдельных стадий, поскольку они содержат ключ к работе климатической системы Земли. По поводу начального периода быстрых изменений споров немного: как мы видели, это был результат выброса большого количества углерода в систему океан-атмосфера. Однако причина относительно длительного интервала стабильности менее ясна. Многие геологи считают, что первоначальное добавление углерода и последующее быстрое потепление должны были перевести Землю из одного стабильного климатического состояния в другое. Идея, что различные факторы могут заставить климат переходить от одного устойчивого состояния к другому, иногда с какой-то критической точкой, получила подкрепление в ходе изучения более поздних резких изменений климата, например, позднего дриаса, который обсуждался в предыдущей главе. Тем не менее, в течение примерно 60 000 лет стабильности в рамках ПЭТМ происходили другие изменения, хотя они были постепенными. Например, в некоторых кернах из осадочных пород увеличивается содержание карбоната кальция, что говорит о том, что кислотность океанов стала понижаться.

Во время стадии восстановления в конце ПЭТМ все основные параметры начали меняться намного быстрее. Изотопные значения для углерода выросли, температуры упали, а отложения карбоната кальция вернулись к состоянию до ПЭТМ. Какие процессы способствовали такому возвращению? Во время стабильной стадии ПЭТМ растворение карбоната кальция начало медленно нейтрализовать кислотность океана. Усиление выветривания на суше привело к снижению высокой концентрации углекислого газа в атмосфере, уменьшению парникового эффекта и понижению температуры. Различные механизмы обратной связи для углеродного цикла Земли заставили систему вернуться в исходное состояние после такого масштабного добавления углерода. Прежде чем получится выразить все эти процессы количественно, из геологической летописи необходимо извлечь больше информации, однако в целом ситуация вполне понятна.

Какие уроки мы можем извлечь из нынешних знаний о ПЭТМ, если будем задумываться о будущих изменениях в климате? Прежде всего, нынешние выбросы углерода, в основном связанные со сжиганием ископаемого топлива, поистине беспрецедентны. В этой главе я подчеркивал, что запуск ПЭТМ случился из-за массового и быстрого добавления углерода в систему океан-атмосфера. Однако «массовый» и «быстрый» — понятия относительные. Изотопные значения для углерода в океанических отложениях в начале ПЭТМ снижались в течение 20–30 тысяч лет, что, по-видимому, является примерным показателем продолжительности отрезка добавления углерода (справедливости ради, все указывает на то, что в начале этого стартового периода добавление углерода шло гораздо быстрее, чем в конце). Однако при сохранении нынешних темпов выбросов углерода (примерно 4000–5000 миллиардов тонн) люди за два столетия выбросят в окружающую среду примерно такое же количество этого элемента, которое добавилось за весь ПЭТМ. Когда счет идет на сотни лет, а не на тысячи и не десятки тысяч, то скорость добавления углерода как минимум в десять раз больше, чем при ПЭТМ.

Поскольку увеличение объемов диоксида углерода в атмосфере, вызванное человеческой деятельностью, идет так быстро, и его прекращение будет таким же резким (когда у нас закончится ископаемое топливо, или, хотелось бы надеяться, когда начнут преобладать источники энергии, не связанные с ископаемым топливом), то продолжительность отрезка высоких температур будет короче, чем при ПЭТМ. Климатические модели показывают, что большая часть антропогенной двуокиси углерода поглотится океаном, и что после прохождения пика выбросов концентрация углекислого газа в атмосфере и температура быстро (в геологических масштабах) снизятся. Однако из-за сложностей углеродного цикла уровень двуокиси углерода, вероятно, надолго (на многие десятки тысяч лет) стабилизируется на уровне выше сегодняшнего, и температуры тоже останутся выше, чем сейчас.

Эти выводы основаны исключительно на рассмотрении свойств диоксида углерода и углеродного цикла. Они не учитывают потенциальные усиливающие эффекты — например, возможность того, что повышение температуры дестабилизирует гидраты метана, которые в настоящее время заперты в арктической вечной мерзлоте или погребены в отложениях континентального шельфа. Выделение метана из этих источников (особенно если оно будет быстрым) способно усилить и продлить такое рукотворное потепление.

Современные климатические модели предсказывают, что полярные регионы будут нагреваться быстрее, чем низкие широты — в первую очередь из-за того, что будут поглощать больше тепла по мере уменьшения альбедо из-за таяния льдов. Данные о температурах за последние десятилетия показывают, что это уже происходит. Во время ПЭТМ льда в полярных областях практически не было, поэтому альбедо там сильно не менялось. Однако данные, полученные из кернов отложений в высоких широтах показывают, что температуры в этих регионах выросли и оставались высокими — они выше, чем предсказывают климатические модели, если только при моделировании не закладывались чрезмерно высокие концентрации парниковых газов. Это заставляет предположить, что действовали какие-то пока еще не изученные процессы обратной связи, и в результате увеличивается вероятность, что климат высокоширотных областей изменится еще сильнее, чем сейчас ожидается.

Информация из кернов прибрежных отложений, а также из пресноводных отложений во внутренних частях материков подтверждает, что при ПЭТМ наблюдались значительные изменения в осадках. Существуют многочисленные признаки гораздо более высокого уровня осадков в средних и высоких широтах, а в некоторых европейских регионах — и свидетельства частых сильных наводнений. Это согласуется с увеличением испарения и в целом с более влажным климатом, ожидаемым при теплых условиях, и с итоговым ускорением всего гидрологического цикла. Напротив, в западной части США климат при ПЭТМ стал суше. Это соответствует результатам большинства климатических моделей, которые имитируют последствия антропогенного глобального потепления: они предсказывают масштабные и очень сложные перемены в гидрологическом цикле, что затрудняет детальный прогноз для эффектов в отдельных регионах.

Великое потепление при ПЭТМ в каких-то отношениях находит параллели с переменами в системе Земли, которые идут сейчас; этот природный эксперимент дает ценную информацию о том, какими могут оказаться долгосрочные последствия антропогенных изменений. Из того, что обсуждалось в этого главе, ясно, что о его вероятных причинах и глобальных последствиях известно уже немало. Однако палеоклиматологи продолжают искать новые данные об этом событии, и, если ученые смогут расшифровать их, это поможет более точно предсказать будущий климат Земли — такова конечная цель тех, кто занимается исследованиями такого рода.

Глава 10

Чтение по губам

Ученые любят аббревиатуры, и чем они привлекательнее, тем лучше. Геологи — не исключение. ПЭТМ из предыдущей главы не особо вдохновляет, но в 1993 году одна группа геологов, интересующихся конкретным видом вулканизма, придумала аббревиатуру, которая, на их взгляд, хорошо описывала объекты их увлечения: LIP[51]. Они создали международную организацию для их изучения и даже объявляют «LIP месяца» на своем сайте. Однако это вовсе не губа, как может подумать кто-то, наткнувшись на их сайт. В геологии это сокращение означает large igneous provinces — крупные магматические провинции (КМП).

Геологические КМП образуются в периоды интенсивной вулканической активности, когда огромные объемы быстро текущей лавы появляются на поверхности и быстро распространяются по большой площади. Магматические провинции часто называют базальтовыми наводнениями, поскольку потоки лавы, которые их производят, буквально заливают ландшафт. Отдельные потоки базальта в некоторых из этих провинций можно проследить на расстоянии в 300 километров и больше; потоки могут накапливаться, достигая толщины в несколько километров, а самая большая из провинций простирается на миллионы квадратных километров. Вулканизм, который создает КМП, обычно продолжается в течение короткого по геологическим меркам периода времени: у большинства детально изученных провинций основная часть лавы изверглась за несколько сотен тысяч, максимум за миллион лет.

Ученые пришли к выводу, что КМП образуются (подобно острову Гавайи и цепочке остальных Гавайских островов), когда плюмы (потоки горячего материала мантии) поднимаются из глубины, плавятся и прорываются через вышележащую кору. На рисунках такие плюмы часто изображают в виде вертикальных головастиков, большая голова которых упирается в литосферу, а длинный узкий хвост уходит в мантию. КМП отмечают начальные объемные извержения из головы плюма, однако хвост может питать вулканы в течение многих десятков миллионов лет, хотя и с гораздо меньшей интенсивностью. Одна хорошо известная КМП — плато Декан в центральной Индии, массив базальтовых покровов в несколько километров толщиной. Он довольно скоротечно сформировался около 65 миллионов лет назад, когда Индийский континент двигался на север над головой плюма. Считается, что вулканически активный остров Реюньон в южной части Индийского океана находится на хвосте того самого плюма.

КМП встречаются и на континентах, и на дне океанов. В отличие от большинства других видов вулканизма, у них нет особой привязки к границам плит, поскольку порождающие их плюмы формируются на больших глубинах — гораздо ниже основания плит. Лучше всего изучены КМП, находящиеся на суше: к ним относятся плато Декан, Сибирские траппы[52] в России, Колумбийское плато в северо-западной части США и ряд других. Траппы Сибири изливались примерно 250 миллионов лет назад, и это старейшая из хорошо сохранившихся КМП. Поверхностные потоки в большинстве более древних провинций сильно разрушены или даже выветрились полностью; однако о том, что они некогда были, можно судить по проходящим сквозь кору многочисленным вулканическим каналам, которые в момент извержений были глубоко, однако с тех пор появились на поверхности из-за поднятий и эрозии.

Хотя аббревиатура появилась недавно, сами КМП были известны на материках с тех пор, когда ученые стали серьезно изучать формации горных пород. А вот многочисленные подводные КМП обнаружились только при активном изучении океанского дна. Крупнейшей из них является океаническое плато Онтонг-Ява в западной части Тихого океана, образовавшееся в результате крупного излияния лавы около 125 миллионов лет назад, которое увеличило толщину океанической коры в этом месте во много раз. Другая океаническая КМП находится в Карибском море. Здесь основной всплеск вулканизма происходил во второй половине мелового периода, примерно 93–94 миллиона лет назад. Возможно, плюм, создавший Карибское плато, все еще активен: правдоподобные реконструкции движения литосферных плит за последние 100 миллионов лет позволяют предположить, что сейчас над местом этого плюма располагаются вулканы Галапагосских островов.

Если бы можно было вернуться в прошлое и увидеть планету во время создания Карибского плато, мы обнаружили бы теплый климат от полюса до полюса. Содержание углекислого газа в воздухе было гораздо выше современного, поэтому проявлялся сильный парниковый эффект. Севернее полярного круга росли пальмы, в Гренландии не было ледников, а в Антарктиде — массивной ледяной шапки. Такими же непривычными оказались бы для нас и очертания материков; поскольку льды связывали мало воды, то уровень океана был высок: значительные части Европы и юго-западной России находились под водой, а широкое мелководье тянулось от Мексиканского залива до Арктики, деля Северную Америку на две части (рисунок 27). Странным могло показаться и расположение континентов. Австралия и Антарктида составляли единый материк, а Индия, уже отправившаяся на север в сторону Азии, была островом у восточного побережья Африки рядом с Мадагаскаром. Атлантический океан находился на стадии формирования: Бразилию от западного побережья Африки отделяло лишь узкое море. В животном мире суши доминировали динозавры.

Высокое содержание двуокиси углерода в атмосфере мелового периода можно приписать какому-нибудь нарушению баланса в углеродном цикле: вулканическое поступление диоксида углерода перевешивало его связывание в результате выветривания и других процессов. Атлантический океан расширялся, огромный южный материк Гондвана делился на части, спрединг морского дна шел быстро, и при этом изливались большие объемы базальтов, принося с собой двуокись углерода из мантии Земли.

Некоторая часть избыточного атмосферного углерода оказалась в океанических отложениях: осадочные породы мелового периода особенно богаты органическим углеродом (поэтому они — источник большей части наших нефти и газа). В некоторых местах углерода так много, что породы буквально черные. Эти особенно богатые углеродом слои, известные как «черные сланцы», образуются только тогда, когда в поверхностных водах изобилуют растения и животные, обеспечивая постоянный дождь из мертвых организмов на дне океана; однако также требуется, чтобы на глубоководье отсутствовал кислород (или его было мало): без кислорода органические вещества не окисляются и могут сохраняться в отложениях. Сегодня такие условия существуют только в некоторых местах — например, в глубоких фьордах, где придонная вода застаивается и испытывает недостаток кислорода, или в Черном море, в котором поверхностные воды богаты питательными веществами и биологически продуктивны, зато застойные глубины бедны кислородом.

Рисунок 27. Очертания континентов во время появления Карибского океанического плато 93–94 миллиона лет назад. Уровень моря высок: под водой большая часть Северной Америки и Европы, в Африке и Южной Америке есть мелкие моря. (По материалам карты Рона Блейки, университет Северной Аризоны; смотрите http://jan.ucc.nau.edu/~rcb7/).

Хотя черные меловые сланцы были ранее зафиксированы во многих местах суши, глобальные массивы таких отложений обнаружились только в 1970-х годах, во время Проекта глубоководного бурения. Повсюду в океанах, где участники Проекта брали керны, в образцах мелового периода встречались слои отложений, особенно богатых органическими веществами. Некоторые из них были тонкими и локальными, однако три обнаруживались практически в каждом керне из отложений, и их можно было соотнести с заметными месторождениями черных сланцев на суше. Дальнейшие исследования показали, что эти три интервала фиксировали время серьезных глобальных изменений природной среды. Поскольку для таких осаждений требовались океанические воды с низким содержанием кислорода, их стали называть океаническими бескислородными явлениями (ОАЕ).

Полученные из осадочных пород данные показывают, что и мелкие, и глубокие океанские воды практически непрерывно насыщались кислородом с конца протерозойского эона, когда содержание кислорода в атмосфере резко возросло до уровня, близкого к сегодняшнему. Однако три меловых ОАЕ отмечают короткие промежутки, когда дела обстояли иначе. В эти отрезки времени глубокие океанические воды испытывали нехватку кислорода. Более того, для этих ОАЕ и переходы от нормальных отложений к черным сланцам, богатым органикой, и обратные переходы происходили резко. Есть ли правдоподобные механизмы, которые могут порождать по всему миру бедные кислородом глубины и быстро переключаться между кислородными и бескислородными условиями?

Одна из первых выдвинутых гипотез заключалась в том, что ОАЕ мелового периода стали результатом сильно стратифицированного океана с застойной придонной водой: тонущая органика потребляла кислород, и он не восполнялся. В современном океане происходит циркуляция воды: поверхностные холодные плотные богатые кислородом воды в высоких широтах опускаются и постоянно замещают глубинные воды. Однако в гораздо более теплом меловом периоде даже полярные регионы отличались мягким климатом. В высоких широтах не имелось холодной плотной воды, которая могла бы запустить такие потоки, и циркуляция в лучшем случае была вялой. Растворенный в глубине кислород быстро расходовался на реакции окисления тонущего органического вещества. Возможно, ситуацию усугубляла тектоника плит: узкий Атлантический океан мелового периода ограничивал циркуляцию еще сильнее.

Проблемы такого сценария в том, что он на самом деле не объясняет ни резкого начала, ни резкого конца ОАЕ. Замедленная циркуляция и низкое содержание кислорода на глубине океана могут объяснить в целом повышенное количество органического материала в осадочных породах мелового периода, однако для ОАЕ нужно что-то еще.

Один из вариантов — причиной является вулканизм и выброс в атмосферу углекислого газа, то есть тот же процесс, что породил сам меловой период. Но это должен быть масштабный кратковременный всплеск вулканической деятельности, наложенный на и без того высокий уровень извержений. Формирование КМП соответствует этому критерию.

Самое молодое из явлений ОАЕ мелового периода — которое, судя по химическим свойствам черных сланцев, было и самым интенсивным — произошло между 93 и 94 миллионами лет назад. Это соответствует времени формирования плато на дне Карибского моря, а также совпадает с одной из границ, которую геологи выделяют в меловом периоде — между сеноманским и туронским ярусами (названия даны по местам во Франции, где породы этого возраста были впервые подробно описаны). Эта граница отмечает массовое вымирание морских организмов[53], преимущественно донных и глубоко живущих, что заставляет предположить, что фактором гибели было низкое содержание кислорода в глубоководных областях океана.

Большая часть пород Карибской КМП все еще расположена на морском дне, и поэтому количество взятых в этой провинции проб невелико. Однако в некоторых местах, включая Гаити и Малые Антильские острова, излившиеся базальты стали сушей в результате тектонических процессов. Эти потоки дают самый точный и надежный возраст начального, самого мощного излияния, создававшего провинцию: от 93 до 94 миллионов лет назад. Есть сообщения о нескольких более поздних датах, включая данные о подводных породах, которые могут давать датировку до 87 миллионов лет; это заставляет предположить, что вулканизм длился целых шесть или семь миллионов лет. Однако поражает совпадение пика вулканизма в Карибской КМП с одним из ОАЕ: возможно, КМП стала спусковым крючком для изменений среды, которые ускорили отложение черных сланцев и вымирание организмов.

Существуют и другие косвенные доказательства связи Карибской КМП и ОАЕ. Некоторые показатели в осадочных породах говорят, что и без того высокая температура в тропической Атлантике ближе к началу ОАЕ повысилась еще на три, а, возможно, и на пять градусов Цельсия. Скорее всего, причиной был углекислый газ, выброшенный во время первых извержений в Карибской КМП. Кроме того, черные сланцы вблизи сеномано-туронской (С-Т) границы отличаются высокой концентрацией металлов, причиной чего, возможно, были излившиеся лавы.

Сочетание этих фактов убедило многих исследователей, что связь между вулканизмом на Карибском океаническом плато и сеномано-туронским океаническим бескислородным событием действительно существует. Однако все подтверждения оказывались косвенными: надежных доказательств не было. Но в 2008 году нашлась неопровержимая улика: Стивен Тарджон и Роберт Кризер из университета Альберты обнаружили неоспоримые факты, что на химический состав воды непосредственно на С-Т границе сильно повлияли серьезные подводные вулканические извержения. Однако единственный известный эпизод масштабных извержений того времени — это Карибская КМП.

Как часто случается в науке, открытие было отчасти случайным. Стивен Тарджон — геохимик, интересовавшийся, в частности, разработкой более эффективных способов датирования осадочных пород. Тарджон использует не популярные и описанные ранее в этой книге методы датирования, а применяет экзотическую (по крайней мере, экзотическую для не-геохимиков) схему определения возраста, основанную на радиоактивном распаде редкого металла рения до изотопа другого редкого металла — осмия. Богатые органикой породы около С-Т границы выглядели привлекательной целью: известно, что в них значительное содержание металлов, а если бы метод сработал, то ученые получили бы ценную информацию об абсолютном возрасте и, возможно, продолжительности ОАЕ. Поэтому Тарджон отправился в Италию, чтобы собрать материал в одном из классических мест расположения пород С-Т границы. Кроме того, он получил образцы богатых органикой отложений, охватывающих соответствующий временной диапазон, из керна, взятого у северо-восточного побережья Южной Америки. Эти две точки разнесены сегодня в пространстве более чем на 5500 километров, а на момент появления С-Т границы находились в разных океанах (рисунок 27).

Однако работа пошла не по плану. Использованный Тарджоном метод очень трудоемок, и когда он после месяцев кропотливой работы собрал все данные, оказалось, что из-за большого разброса в результатах точный возраст осадочных пород получить нельзя. Казалось, что от идеи придется отказаться. Однако Тарджон заметил, что образцы из богатых органикой интервалов с черными сланцами — как в итальянских породах, так и в осадочном керне — содержат куда больше осмия, чем можно было предположить. Наблюдение показалось ученому интересным, но он не понимал его смысла. Поэтому он отложил эти данные и занялся другой работой, хотя и не забывал о черных сланцах полностью: он продолжал размышлять о высоком содержании осмия и о том, как правильно истолковать сделанные измерения.

Примерно через полгода Тарджон в надежде получить хоть какую-то пользу от своего колоссального труда снова вытащил эти данные. Возможно, нашлось бы что-нибудь пригодное для короткого выступления на каком-нибудь научном семинаре. Он попытался исключить точки, которые казались ему аномалиями, но легче не стало. В отчаянии он решил перепроверить все свои образцы — на случай, если в первый раз произошла какая-то ошибка. Однако новые результаты совпадали с предыдущими: ошибок в его анализе не было, просто мать-природа возвела препятствия на пути к пониманию этих данных. Тогда у Тарджона появилась идея. Вместо того, чтобы использовать результаты для датирования образцов, он мог поступить наоборот. Возраст С-Т границы (93,5 миллиона лет) был уже хорошо известен, поэтому ученый мог вычислить, сколько осмия появилось в его образцах в результате радиоактивного распада за прошедшие 93,5 миллиона лет, и вычесть эту величину из измеренного им количества; разница позволила бы ему найти первоначальное соотношение изотопов в материале его образцов на момент осаждения. Поскольку почти весь осмий в отложениях берется из морской воды, то геохимик рассудил, что вычисленное таким образом соотношение будет близко к соотношению изотопов осмия в морской воде на момент ОАЕ.

Когда Тарджон провел такие расчеты, он немедленно понял, что натолкнулся на нечто важное. Он проводил измерения для образцов, соответствовавших интервалу черных сланцев, а также более старых и более молодых образцов, и его данные показали, что в самом начале ОАЕ ситуация с изотопами осмия в морской воде резко изменилась, а в конце ОАЕ вернулась к норме. И итальянские породы, и образцы океанского керна в 5500 километрах от Италии рассказывали одинаковую историю: по всему миру произошли резкие изменения в химическом составе морской воды (как минимум в отношении содержания осмия), и они совпали с ОАЕ.

В каком-то смысле изотопы похожи на отпечатки пальцев. Геохимики используют их почти так же, как детективы используют отпечатки пальцев на месте преступления: чтобы установить преступника. Рассуждения могут оказаться сложными, однако во многих случаях для однозначной идентификации какого-нибудь события или процесса можно использовать отношение между двумя конкретными изотопами. В предыдущей главе мы видели, как соотношение изотопов углерода использовалось для идентификации метана биологического происхождения в качестве источника углерода во время Великого потепления при ПЭТМ. Некоторые изотопы подходят для этого лучше других, и осмий тут особенно хорош, поскольку породы, образованные разным способом (например, породы континентальной коры и породы, образованные вулканизмом океанического дна), обеспечивают большую разницу в соотношении его изотопов. Оба эти источника добавляют осмий в океаны, а отношение изотопов осмия в морской воде будет зависеть от того, сколько осмия поступило в океан в результате выветривания континентальных пород, а сколько — в результате вулканической активности на дне океана. Резкий сдвиг, обнаруженный Тарджоном, показал, что в начале ОАЕ в океане резко возросло количество вулканического осмия.

Согласно данным Тарджона, на интервале образования черных сланцев вулканический осмий составлял 97 % всего содержащегося в океане осмия, в 30–50 раз больше, чем до этого события. Сегодня подводная вулканическая активность дает менее трети осмия в морской воде: большая его часть приходится на эрозию континентов. Тарджон не мог доказать, что вулканический осмий поступил из Карибской КМП, однако не существует никаких других явных кандидатов, которые могли бы объяснить эти данные.

Таким образом, работа Тарджона и Кризера устанавливает прямую связь между интенсивной вулканической деятельностью Карибской КМП и глобальным бескислородным состоянием океана, повсеместными вымираниями морских организмов и накоплением богатых органикой отложений на морском дне. Это создает прочный фундамент для идеи (до недавнего времени базировавшейся в основном на косвенных подтверждениях), что периодические вулканические излияния в крупных магматических провинциях сыграли значительную роль в истории Земли, включая инициацию мировых изменений климата и исчезновений организмов. Судя по имеющимся данным, самым важным аспектом КМП в этом отношении является большое количество углекислого газа, выделяющегося во время извержений. Это заключение важно, поскольку означает, что пласты осадочных пород, появившиеся во время этих периодов масштабного вулканизма, точно так же, как породы из интервала ПЭТМ, описанные в предыдущей главе, могут сохранить информацию о том, как реагировала наша планета в прошлом на быстрые изменения уровня парниковых газов в атмосфере.

Период океанской аноксии (то есть нехватки кислорода в воде), связанный с Карибской КМП, был одним из самых интенсивных в геологической летописи за последние несколько сотен миллионов лет, и поэтому привлек немалое внимание. Геохимикам удалось установить многие детали происходившего в это время, измеряя показатели осадочных пород, которые отражают различные характеристики среды того периода (например, изотопы кислорода в раковинах планктона отражают температуру воды). Они говорят, что в начале ОАЕ, как мы видели ранее, температура воды повысилась на несколько градусов практически сразу после первоначального выброса вулканического углекислого газа. Интересно, что это продолжалось недолго: после этого промежутка времени морская вода снова остыла, причем температура упала практически до исходных значений. Почти наверняка это было связано с извлечением углекислого газа из атмосферы в ходе геохимического цикла углерода: фотосинтезирующие организмы размножались в теплых поверхностных водах, используя углекислый газ для создания органического материала; после смерти этих организмов он оказывался захороненным в отложениях. Эффективность парникового потепления уменьшилась, и температура понизилась. Но даже такая колоссальная конфискация углерода вызвала лишь кратковременный (менее 150 000 лет) спад: поступление диоксида углерода от вулканической деятельности в Карибской КМП вскоре изменило баланс, и температуры снова стали расти.

Недавно дополнительный свет на состояние океана во время ОАЕ пролил один показатель — биомаркер, характерный для определенных типов бактерий. Хотя организмы-хозяева не сохраняются в виде окаменелостей, в черных сланцах на сеномано-туронской границе встречаются устойчивые молекулы, свойственные так называемым зеленым серобактериям. Эти бактерии — крохотные существа, которым для жизни не нужен кислород: энергию они получают, потребляя ядовитый сероводород. Но они тоже являются фотосинтезирующими и живут на мелководье, где на них воздействует солнечный свет. Их важность с точки зрения выяснения условий во время С-Т границы состоит в том, что они существуют в крайне специфичной среде — в области между глубокими водами, насыщенными сероводородом, и освещенным солнцем мелководьем, где есть растворенный кислород. Каждый раз, когда в осадочных породах обнаруживаются биомаркеры зеленых серобактерий, это означает, что в прошлом в глубоких районах океана имелись значительные количества сероводорода, которые просачивались вверх и попадали в поверхностные воды.

Основная часть зеленых серобактерий сегодня обитает в застойных бедных кислородом водоемах — таких, как Черное море. Они живут за счет сероводорода, который вырабатывает другая разновидность бактерий, живущая в более глубоких бескислородных водах, характерных для таких сред. Эти глубоководные бактерии расщепляют молекулы сульфатов (распространенный компонент морской воды и в частности воды Черного моря), получая при этом энергию и выделяя сероводород. В своей приповерхностной нише зеленые серобактерии потребляют этот сероводород, когда он проникает вверх. В глубоких зонах океана наблюдаются отложения времен ОАЕ, содержащие биомаркеры зеленых серобактерий, а это означает, что в то время большую часть морских глубин населяли бактерии, производящие сероводород. Океанские глубины были пропитаны этим ядовитым веществом, и некоторые исчезновения морских организмов на С-Т границе, возможно, вызваны его воздействием.

В списке известных крупных магматических провинций излияния Карибской КМП были относительно невелики. Я подробно остановился на этом эпизоде, потому что сигнатура изотопов осмия в черных сланцах ОАЕ надежно связывает этот вулканизм с глобальными экологическими последствиями. Какими же оказывались последствия гораздо более масштабных излияний в КМП? В большинстве случаев приходится опираться на совпадение по времени. По мере того как радиометрическое датирование вулканизма и фиксация изменений в окружающей среде становятся все более точными, между ними прослеживаются все более четкие связи. В частности, три из крупнейших массовых вымираний за последние 500 миллионов лет хорошо совпадают с формированием трех крупных КМП: деканских траппов в центральной и западной Индии, Центрально-Атлантической магматической провинции (CAMP) и сибирских траппов. Все эти три провинции аномальны: во всех имеются громадные объемы лавы, излившиеся за относительно короткие сроки. Каждая из них совпадает по времени с какой-то важной геологической границей: деканские базальты — с концом мелового периода, CAMP — с концом триаса, сибирские траппы — с окончанием пермского периода. Геологи, которые впервые определили эти границы, делали это исключительно на основе резких изменений в геологической летописи окаменелостей: они не подозревали о совпадении по времени с массовыми излияниями вулканических лав.

Если бы только одна КМП совпадала с масштабным вымиранием, можно было бы подозревать простую случайность. Но когда за последние 250 миллионов лет имеется целых три примера, то крайне вероятно, что здесь есть связь, пусть даже косвенная. В чем она заключается? Сейчас в этой области ведется активная работа, но многие специалисты считают наиболее вероятной причиной парниковые газы, появившиеся вследствие вулканической деятельности, и последующее изменение температуры — как это, похоже, было в случае менее масштабной Карибской КМП. Судя по общему количеству излившейся лавы, извержения в трех крупных КМП высвободили огромное количество углекислого газа, но ключевой вопрос тут — насколько быстро это произошло. Если извержения длились несколько миллионов лет, то геохимический цикл углерода поддерживал бы примерный баланс углекислого газа в атмосфере, и температура менялась бы незначительно. Если же временные рамки извержений были сжаты, то последовали быстрые и сильные изменения температуры. Сочетание прямых и косвенных воздействий высоких температур и высокого содержания углекислого газа в атмосфере привело к повышению кислотности океана, что помешало жизни многих морских организмов.

Данные геологической летописи показывают, что не все парниковые газы, поступавшие в атмосферу во время формирования КМП, происходили непосредственно из вулканических лав. Например, есть сведения, что в случае Центрально-Атлантической магматической провинции дестабилизировались залежи гидрата метана, что добавило метана в атмосфере. Имеются также свидетельства, что выброс парниковых газов произошел при взаимодействии излитых сибирских базальтов и осадочных пород, в которые они проникали. Однако какими бы ни были точные механизмы событий, изотопы углерода в осадочных породах показывают, что одновременно с извержениями в каждой из этих КМП в систему океан-атмосфера добавлялись существенные объемы двуокиси углерода.

Деканские траппы формировались 65–66 миллионов лет, во времена мел-палеогеновой границы (окончания мелового периода). На индийском континенте поток за потоком изливались базальты: эти породы, толщина которых даже сегодня, несмотря на десятки миллионов лет эрозии, в некоторых местах превышает полтора километра, образуют впечатляющее плато в центральной Индии. Однако возможная связь этих излияний с массовым мел-палеогеновым вымиранием затенена теорией столкновения, описанной в главе 3. Нет никаких сомнений, что последствия того столкновения сыграли важную роль в вымирании видов. Однако возможно, что они не оказались бы такими серьезными при отсутствии извержений Деканской КМП. Данные датирования показывают, что эти извержения начались несколько раньше мел-палеогеновой границы (и удара астероида), и вполне вероятно, что они стали создавать опасности для жизни на планете еще до того, как был нанесен нокаутирующий удар. Вулканическая деятельность продолжалась и после падения астероида, что еще больше усугубило последствия столкновения.

Геологи исследовали горные породы для всех границ, отмечающих массовое вымирание, в поисках возможных ударов, однако единственным доказанным случаем является событие, которое привело к появлению кратера Чикшулуб на мел-палеогеновой границе. Это подкрепляет теорию, согласно которой в остальных случаях причиной вымирания могут быть изменения окружающей среды, вызванные излияниями в КМП. Вымирание в конце триасового периода 200 миллионов лет назад было не таким масштабным, как мел-палеогеновое вымирание, однако предполагается, что тогда исчезло более 50 % всех существовавших родов растений и животных. Это вымирание происходило практически одновременно с формированием CAMP, которое шло, по последним данным, примерно 600 000 лет. По оценкам, лавы CAMP, изливавшиеся, когда начал распадаться суперконтинент Пангея и стал образовываться Атлантический океан, когда-то покрывали площадь, примерно равную площади США, а значит, соответствующие выбросы двуокиси углерода были огромными. Сегодня лавы CAMP можно обнаружить на окраинах Северной и Южной Америки, Европы и Африки.

Однако самое масштабное вымирание произошло 251 миллион лет назад, на границе между триасовым и пермским периодами. По оценкам, оно уничтожило примерно 90 % жизни в океанах и минимум 70 % обитателей суши. Пострадали все: рептилии, амфибии, растения, насекомые, рыба, планктон и моллюски. Для восстановления жизни на земле потребовалось много времени, а отголоски этой истории вымирания и выживания слышны и сегодня, спустя четверть миллиарда лет. Его окрестили «матерью всех вымираний», и по времени оно совпадает с излиянием сибирских траппов — одной из самых крупных магматических провинций в геологической летописи.

Радиометрическое датирование показывает, что массовые извержения вулканов Сибирской КМП достигали пика в течение примерно миллиона лет, начавшись незадолго до основных пермско-триасовых вымираний. Сибирская КМП необычна: в дополнение к излившимся базальтам, которые обычно свойственны для таких провинций, для нее характерен взрывной вулканизм. Некоторые исследователи предположили, что выброшенные этими извержениями пыль и аэрозоли могли заблокировать солнечный свет, снизить температуру на всей планете и сыграть определенную роль в этих вымираниях. Эту идею подкрепляет наблюдение, что единичные взрывные извержения недавнего прошлого порождали большое количество аэрозольных частиц на значительных высотах, что приводило к небольшому, но измеримому понижению глобальной температуры. Однако большинство ученых сомневаются, что такое похолодание (пусть даже в результате длительного взрывного вулканизма) имело достаточные мощность и продолжительность, чтобы оказаться причиной пермско-триасового вымирания. К тому же огромные объемы диоксида углерода, выброшенного в этих извержениях, должны были оказать противоположный и долговременный эффект повышения температуры.

Поиск информации о том, как сибирские извержения могли спровоцировать столь массовые вымирания, привел Ли Кампа и Майкла Артура из Университета штата Пенсильвания и их коллегу Алекса Павлова из Университета Колорадо к интересной идее. Они начали с предположения, что сибирская вулканическая деятельность быстро высвободила огромное количество углекислого газа, что повысило температуру на Земле. По мере нагревания океанов они могли удерживать все меньше кислорода (как и большинство газов, кислород лучше растворяется в холодной воде, чем в теплой), а обычное окисление тонущего органического материала поддерживало очень низкий уровень кислорода в океанских глубинах. Камп с коллегами обратили внимание, что некоторые осадочные породы на границе перми и триаса содержат те же биомаркеры зеленых серобактерий, которые обнаружены в богатых органикой отложениях ОАЕ мелового периода, а это указывает, что как минимум в части океана имелся сероводород. Участков морского дна старше 200 миллионов лет не сохранилось; поэтому невозможно сделать керн и добраться в океанических отложениях до пермско-триасовой границы, чтобы узнать, имелись ли и тогда интервалы глобальной аноксии, похожие на аналогичные интервалы мелового периода. Но на суше обнажены некоторые осадочные породы возрастом примерно 251 миллион лет (время пермско-триасовой границы), и в них есть слои черных сланцев. Имея надежные доказательства наличия сероводорода и признаки того, что как минимум в некоторых частях океана наблюдались периоды аноксии, Камп с коллегами стали задаваться вопросом, не мог ли сероводород образовываться на глубине в таких больших количествах, что проникал на поверхность и улетучивался в атмосферу с летальными последствиями для жизни.

Расчеты ученых показали, что такой сценарий вполне возможен: чтобы нарушить баланс, не потребовалось бы чересчур большого увеличения популяции глубоководных бактерий, производящих сероводород. В районах, где уже наблюдался умеренный апвеллинг (подъем глубинных вод на поверхность), насыщенная сероводородом вода поднималась, подавляла весь растворенный у поверхности кислород, и часть газа уходила в воздух. Камп с коллегами подсчитали, что даже если бы это происходило всего на десятой части от 1 % океанской поверхности, то в атмосферу попали бы колоссальные объемы сероводорода — в несколько тысяч раз больше, чем выделяется сейчас при обычной вулканической активности. В таких количествах он был бы токсичным для многих, если не для всех наземных организмов, и мог бы объяснить пермско-триасовое вымирание.

Наступили бы и другие последствия. Наличие такого количества сероводорода может заблокировать механизм, который обычно разрушает метан в атмосфере; тогда его концентрация будет быстро увеличиваться. Из-за большего количества метана усиливается парниковый эффект, а вместе с тем еще больше повышается температура. Поскольку токсичность сероводорода с увеличением температуры возрастает, то и его эффективность как агента вымирания тоже повышается. К этой и так безрадостной картине Камп с коллегами добавили еще один неприятный штрих: они отметили, что высокий уровень сероводорода в атмосфере разрушил бы озоновый слой, а без защитного экрана Землю бы залило опасное ультрафиолетовое излучение.

Но действительно ли реализовывались такие фантастично звучащие сценарии — океаны без жизненно важного кислорода, выбросы из морской воды токсичного газа, отравляющего животных и растения, ультрафиолет, затопляющий поверхность планеты? Как всегда, ответы нужно искать в летописи пород. Биомаркеры зеленых серобактерий подтверждают наличие в океанах сероводорода. Другие свидетельства более косвенны, но, похоже, подтверждают гипотезы Кампа и его коллег — если не во всех деталях, то хотя бы в целом.

Одну зацепку дает ископаемый планктон: его много, он быстро эволюционирует, и его можно с высоким разрешением проследить в разных слоях породы. На пермско-триасовой границе вымирание планктона, похоже, шло несколькими волнами, длившимися по несколько сотен тысяч лет. Это резко контрастирует с вымираниями на мел-палеогеновой границе, которые были по существу мгновенными в геологическом смысле. Также на продолжительность периода вымирания на пермско-триасовой границе указывают и останки наземных позвоночных, собранные из отложений озер и ручьев — хотя они гораздо более редкие, чем останки планктона. Такая схема демонстрирует нам медленно ухудшающуюся природную среду, в которой происходили отдельные случайные события — например, прорывы сероводорода из океана в атмосферу. Вероятной причиной был вулканизм в КМП, который длился примерно в течение миллиона лет, однако отдельные короткие катастрофические извержения отделяли друг от друга тысячи или даже десятки тысяч лет пониженной вулканической активности.

Но, пожалуй, самое убедительное доказательство — ископаемые споры наземных растений. До пермско-триасовой границы доминировали деревья, которые образовывали леса, однако во время вымирания они понесли тяжелые потери. Их место заняли более мелкие и примитивные растения, относящиеся к современным мхам. Споры, которые дают эти захватчики, очень стойкие и хорошо сохраняются в осадочных породах. Самое примечательное в этих спорах — то, что многие из них демонстрируют признаки мутаций, вызванных ультрафиолетовым излучением. Это говорит о том, что во время жизни этих растений озоновый слой был слабым или вовсе отсутствовал. Споры с такими изъянами можно обнаружить по всему миру в породах вблизи пермско-триасовой границы, а одно детальное исследование мелкозернистых осадочных пород из Гренландии показывает, что их количество меняется со временем: зафиксированы два пика, разделенные несколькими сотнями тысяч лет. Эта картина согласуется с продолжительным периодом вулканической деятельности в Сибирской КМП, когда наблюдались короткие интенсивные вспышки, инициировавшие выбросы сероводорода из океанов в атмосферу и уничтожение озонового слоя.

Накопленные данные из геологической летописи показывают, что нечто вроде предложенного Кампом и его коллегами странного сценария действительно могло реализоваться, а также подтверждают, что события в КМП могут иметь последствия для всей планеты несмотря на то, что сами они ограничены относительно небольшими территориями. Изложенные в этой главе факты, подтверждающие связь вымираний и КМП, также выделяют связующую нить, проходящую через многие страницы земной истории: важность парниковых газов (особенно двуокиси углерода) как основного фактора, вызывающего широкомасштабные изменения окружающей среды. Во многих случаях возрастающие уровни углекислого газа в атмосфере, по-видимому, достигали того уровня, когда сопутствующее глобальное потепление инициировало другие процессы-следствия, которые и были фактическими причинами крупномасштабных биологических вымираний. Хотя у нас есть только примерное представление о таких пороговых значениях, наилучшие современные оценки таковы: в начале этих кризисов содержание углекислого газа превышало современный уровень примерно в 2,5–5 раз. В каком-то смысле это утешает, поскольку с начала промышленной революции деятельность человека увеличила уровень двуокиси углерода в воздухе всего на треть. Если не появится новая КМП (что в краткосрочной перспективе маловероятно), потребуется много времени, чтобы добраться до реально опасных уровней.

Но так ли это на самом деле? Скорость выброса парниковых газов в атмосферу увеличивается, и без серьезных усилий по их сокращению может оказаться, что всего за несколько столетий мы достигнем того уровня, при котором происходили прошлые ОАЕ. Это не затронет нас или наших детей, но двести или триста лет — не такой уж большой срок для человечества. Многие люди, которые родились сегодня, проживут треть или даже половину этого отрезка. Мы можем только надеяться, что суровые уроки геологического прошлого все же заставят нас действовать, и наши потомки через несколько столетий не обвинят нас в том, что мы направили планету на путь экологической катастрофы.

Глава 11

Беспокойные гиганты

До недавнего времени в небольших деревеньках на лесистых склонах горы Пинатубо на филиппинском острове Лусон жили люди племени аэта — потомки полукочевых охотников-собирателей. По их верованиям, в горе обитал верховный бог — Апо Маллари. Однако весной 1991 года бог забеспокоился, а в июне полностью пробудился — в стратосферу взметнулся пепел от второго по величине извержения двадцатого века. К счастью, большую часть аэта эвакуировали, а некоторые сами успели убежать. Однако для многих катастрофа означала потерю родины: их постройки и хозяйства были уничтожены, сами они рассеялись по низинам, некоторые оказались во временных лагерях, которые стали для них постоянным жильем. Для аэта — группы племен, существование которой как единого целого и так было шатким — извержение стало почти смертельным ударом.

Вулкан не отличался избирательностью в разрушениях. В 18 километрах к востоку от Пинатубо находилась база ВВС США Кларк — крупнейшая база американской армии за пределами Соединенных Штатов: школа, торговый центр, кинотеатр и многое другое. Как и все вокруг, базу засыпало пеплом. Во время извержения лавина раскаленного пепла и пыли (на языке геологии — «пирокластический поток») с шумом помчалась в сторону базы и остановилась, лишь чуть-чуть не поглотив ее. Пепел заполнил двигатели самолетов и наземной техники, а его вес раздавил крыши ангаров. Вскоре весь объект был заброшен; с тех пор базу не пытались восстановить.

Пинатубо — всего лишь один из множества действующих филиппинских вулканов. Его извержение в 1991 году потрясло даже тех, кто видел только фотографии или видеозаписи; люди, которые видели его воочию, были в полном ошеломлении. Однако с геологической точки зрения это извержение не было каким-то необычным. По шкале вулканической активности, показывающей силу извержения, оно получило 6 баллов. В течение XX века наблюдалось три извержения такого уровня. (Это выше долгосрочного среднего показателя: за последние десять тысяч лет извержение такой силы происходило раз в несколько сотен лет). Как и шкала магнитуд землетрясений, шкала вулканической активности не ограничена сверху, а увеличение значения на 1 означает увеличение силы в 10 раз. Однако, в отличие от землетрясений, масштаб извержения определяется не только по реакции прибора. Оценка основывается на таких количественных параметрах, как объем выброшенного материала, высота пепловой колонны при извержении и продолжительность активного состояния. Для извержений в прошлом, которые никто не фиксировал, как правило, единственной возможной мерой является количество выброшенного материала. Его можно определить по толщине слоев вулканического пепла и потоков лавы, а также по их протяженности.

Вулкан Пинатубо находится в зоне субдукции, которая входит в так называемое огненное кольцо, окружающее Тихий океан. Как и большинство вулканов в этой зоне, он извергается взрывами, выбрасывая с большой скоростью газ, камни и сгустки расплавленной магмы. Энергия для таких взрывных действий исходит от воды и других летучих соединений, растворенных в магме. Когда магма приближается к поверхности, пузыри газов выходят наружу и быстро расширяются. Этому способствует химический состав магм зоны субдукции: они богаты кремнеземом и поэтому отличаются большой вязкостью. Вязкая лава удерживает расширяющиеся пузырьки газов, пока в вулканическом канале не создается очень высокое давление, что и приводит в результате к взрывным извержениям.

Извержение 1991 года нарушило почти пятисотлетнее молчание Пинатубо. Перед катастрофой гора не походила на действующий вулкан. Существовало несколько горячих источников, но свежих потоков лавы не было: сильная эрозия разрушила склоны, и они уже заросли густым лесом. Однако в середине марта 1991 года гору сотрясла серия землетрясений, а в течение следующих нескольких недель толчки ощущались еще сильнее. Вскоре стало понятно, что вулкан пробуждается от долгого сна: землетрясения — признак движения магмы к поверхности. В начале апреля возле вершины произошло несколько небольших выбросов перегретого пара, из-за чего в воздух взлетели тучи обломков, а окружающая местность покрылась тонким слоем вулканической пыли.

Землетрясения и небольшие извержения тревожили население, однако для стороннего наблюдателя не выглядели особо серьезными, поскольку не сопровождались излияниями лавы. Однако взрывы пара намекали, что под поверхностью находится мощный источник тепла, который перегревает грунтовые воды, пока пар не вырывается по трещинам в земле. Геологи из Филиппинского института вулканологии и сейсмологии и их коллеги из Геологической службы США осознали угрозу и быстро развернули на вулкане и вокруг него сеть приборов: сейсмометры для точного определения силы и местоположения мелких землетрясений и наклономеры для отслеживания формы горы, когда она начнет заполняться поднимающимися расплавленными породами.

Пинатубо расположен в густонаселенной части планеты. В 1991 году в нескольких десятках километров от вулкана — то есть в опасной зоне при крупном извержении — проживали сотни тысяч людей. Всего в 90 километрах находится столица Филиппин Манила, где живет больше 19 миллионов человек. Ученые, наблюдающие за горой, оказались под давлением, решая, как поступить: призывы быть осторожнее кажутся чем-то естественным, однако масштабная эвакуация вследствие ложной тревоги серьезно подорвала бы эффективность будущих прогнозов. Однако все признаки говорили о надвигающемся извержении. Картирование и датирование вулканических пород в этом районе показали, что за последние 6 тысяч лет Пинатубо всерьез извергался минимум три раза. Исследования также показали, что окружающие равнины заливались мощнейшими селевыми потоками, которые спустили по склонам горы массу пепла от прошлых извержений, перенеся его в нынешние густонаселенные районы. Извержение аналогичной силы нанесло бы огромный ущерб.

Продолжающиеся землетрясения и выбросы пара побудили власти издать в начале 1991 года приказ об эвакуации людей, живущих в нескольких километрах от вулкана. Эта активность продолжалась в апреле и мае, и, несмотря на отсутствие лавы, вулканологи зафиксировали выбросы больших количеств (тысячи тонн в день) смертельно опасного газа — двуокиси серы. Наконец, 7 июня магма достигла поверхности, однако без взрыва она сформировалась в толстую медленно поднимающуюся массу лавы, которая образовала купол на вершине (очевидно, газы, растворенные в этой первой порции магмы, высвободились из нее во время медленного подъема на поверхность, что и позволило ей излиться относительно спокойным образом). Филиппинский институт вулканологии и сейсмологии выпустил предупреждение четвертого уровня (второе по серьезности, поскольку используется пятибалльная шкала). Всего через несколько дней до поверхности добралась свежая магма, заполненная газом, и начались взрывы. Уровень вулканической опасности повысили до 5. Вулканологи продолжали следить за горой, но не могли в точности предсказать, что случится дальше.

Немногим позже, 15 июня, произошло по-настоящему мощное извержение, в результате которого из вулкана выбросило больше 4 кубических километров материала. Светящиеся пирокластические потоки — быстро двигающаяся смесь раскаленных газов и лавы — неслись по оврагам и долинам на склонах Пинатубо, покрывая их обжигающим слоем в многие десятки метров толщиной. (Даже через пять лет после извержения измерения показали, что некоторые потоки так и не остыли внутри и сохраняли температуру свыше 500 градусов Цельсия). Один из таких потоков почти поглотил базу Кларк. Часть выброшенного материала поднялась высоко в атмосферу в виде мелкого пепла и в конечном итоге распространилась по всему земному шару. И, словно этого было мало, одновременно с извержением на остров обрушился тайфун. Сильные дожди вымывали из воздуха вулканический пепел и придавали тропическому Лусону вид снежного ландшафта. Влажный пепел был настолько тяжел, что проламывал все крыши без разбора, и в течение многих лет после извержения пепел и рыхлые вулканические фрагменты в дождливые сезоны спускались по склонам Пинатубо в виде мощных селевых потоков.

В результате извержения вулкана погибло более 800 человек. Однако число жертв было бы гораздо больше, если бы не усилия по эвакуации на основе прогноза, когда вулкан стал подавать признаки активности. Его состояние регулярно описывали в газетах, сводки передавали по телевидению и радио, новости распространяли через местные организации, и в результате практически все жители окрестностей знали о грядущей опасности, а власти эвакуировали тысячи людей. Да, остановить извержение вулкана невозможно, и не существует эффективных методов как-то смягчить огромный физический ущерб, который наносят взрывные извержения. Однако меры, предпринятые перед извержением Пинатубо и во время него, показывают, что своевременные предупреждения могут значительно сократить число человеческих жертв.

Извержение филиппинского вулкана не только опустошило Лусон, но и оказало влияние на всю планету. Это было первое по-настоящему сильное извержение, последствия которого можно было отслеживать с помощью спутников и авиасъемки. Гора выбросила шлейф пыли и вулканических газов на высоту свыше 30 километров. Хотя мелкая вулканическая пыль оседает относительно быстро, один из вулканических газов, двуокись серы, вступает в реакцию с водой, образуя аэрозоли из капелек серной кислоты, которые сохраняются в стратосфере годами. Магма из Пинатубо оказалась особенно богата двуокисью серы, и многочисленные частицы аэрозолей, образовавшиеся после извержения, частично блокировали солнечный свет. Температура по всему миру в среднем упала примерно на полградуса, что временно замедлило процесс глобального потепления. Сера также ускорила разрушение озона в стратосфере, что привело к максимальному когда-либо наблюдавшемуся размеру озоновой дыры в южном полушарии. А еще — хотя это мало утешало филиппинцев — аэрозоли и вулканическая пыль обеспечивали чудесные закаты, которыми наслаждались люди по всему миру.

Вулканизм в зоне субдукции, подобный ситуации с Пинатубо, обычно приводит к появлению живописных заснеженных конических вулканов, известных как «стратовулканы» — к ним относится, например, Фудзияма в Японии. Крупные извержения таких вулканов часто оставляют после себя кратер или, говоря геологическим языком, кальдеру[54]. Активные вулканы раздуваются, когда поднимающаяся магма приближается к поверхности, но когда при извержении быстро удаляются значительные количества жидкой породы, верхняя часть горы просто рушится внутрь себя, как проколотый воздушный шар. Часто в таких кальдерах образуются озера, как это произошло с Пинатубо.

В горах Сан-Хуан на западе Соединенных Штатов находится такая огромная кальдера, что геологи несколько десятилетий изучали ее с целью определить размеры и нанести на карту. Одна из причин сложности такой задачи — возраст этого вулканического кратера (ему 28 миллионов лет) и эрозия, которая сильно его разрушила. К тому же он частично заполнен более поздними извержениями. Кальдера называется Ла-Гарита (по близлежащему городку в штате Колорадо) и имеет продолговатую форму — ее размеры примерно 75 на 35 километров. Она образовалась в результате крупнейшего взрывного извержения, зафиксированного в геологической летописи. Из кратера был выброшен колоссальный объем материала: около 5000 кубических километров пепла и лавы, их совокупная масса оценивается в 18 триллионов тонн. Для сравнения: небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг весит жалких 365 тысяч тонн. Это извержение выбросило в тысячу раз больше пепла и лавы, чем извержение Пинатубо в 1991 году, и пепел должен был рассеяться на большей части территории Соединенных Штатов. Геофизики, изучающие взрывной вулканизм, полагают, что извержение, породившее Ла-Гариту, было близко к физическому пределу такого типа извержений на Земле.

Наблюдать за этой катастрофой никто не мог, поэтому мы не знаем ее продолжительности. Однако основная фаза должна быть короткой (вероятно, от нескольких дней до нескольких недель), потому что туфы Фиш-каньона (туф — это геологический термин для породы из вулканических фрагментов и пепла) невероятно однородны. У них одинаковый химический состав, они содержат одинаковый комплекс минералов, и геологи считают, что они охлаждались за один раз, то есть, насколько можно различить, все эти отложения (а это километр толщины как минимум в одной области) — продукт одного извержения. Однородность такого колоссального объема материала указывает на то, что магма в очаге под вулканом перед извержением была хорошенько перемешана. Кристаллы богатого калием полевого шпата, которые есть в туфе, широко используются в качестве стандарта для калий-аргонового датирования: они дают очень точное время этого извержения — 28,2 миллиона лет назад плюс-минус 46 000 лет.

Последствия извержения Ла-Гариты были весьма серьезными. Мы не знаем, сколько пепла и двуокиси серы попало в атмосферу, но сама мощь извержения подразумевает, что эффект был на порядки сильнее, чем в случае Пинатубо, так что, вероятно, температура на длительное время упала — возможно, на десятки градусов. Значительная доля западной части Соединенных Штатов погрузилась в темноту во время извержения и на многие дни и недели после него, а большая часть страны покрылась удушающими слоями пепла. Возможно, покажется удивительным, что палеонтологическая летопись при этом не показывает явного роста темпов вымирания 28,2 миллиона лет назад.

Возможно, извержение Ла-Гариты не было связано прямо с вымираниями глобального масштаба, но на региональном уровне ее последствия, безусловно, оказались фатальными. В 1971 году палеонтолог Майк Вурхис обнаружил, что даже гораздо меньшие взрывные извержения могут иметь разрушительные последствия для жизни на обширной территории. Вурхис искал окаменелости на северо-востоке Небраски — в регионе, который более десяти миллионов лет назад был обширной луговой равниной, изобиловавшей животными[55]. На краю оврага он наткнулся на череп детеныша носорога, торчащего из слоя мягкого разрушенного вулканического пепла. Ископаемые носороги встречаются в этом регионе достаточно часто, однако необычным был тот факт, что все кости черепа и челюсти по-прежнему соединялись вместе должным образом, а не валялись по отдельности, как обычно случается при таких находках. Аккуратно смахнув пепел, Вурхис с удивлением обнаружил, что цела не только голова — все животное сохранилось в виде нетронутого трехмерного скелета.

Такое открытие случается раз в жизни. Оказалось, что детеныш носорога — всего лишь один из сотен прекрасно сохранившихся экземпляров ныне уже вымерших животных, погребенных в вулканическом пепле. В июне 1991 года, через двадцать лет после того, как Вурхис обнаружил череп, и почти в то же время, когда Пинатубо начал выбрасывать пепел в атмосферу, место превратили в исторический парк — Эшфоллский парк ископаемых животных. Сегодня это и туристическая достопримечательность, и действующий палеонтологический объект. Это единственное место в мире, где найдены целые трехмерные окаменелости крупных животных вроде носорогов (рисунок 28). Палеонтологи также обнаружили окаменелости верблюдов, оленей, нескольких видов лошадей, собак, а также птиц и черепах. Всех их убило и одновременно сохранило колоссальное взрывное извержение вулкана, которое произошло на полторы тысячи километров западнее.

Рисунок 28. Моррис и МакГрю — два телеоцераса, найденные в вулканическом пепле в Эшфоллском парке ископаемых животных (телеоцерасы — вымерший род носорогов с бочкообразной грудью). Фото любезно предоставлено Музеем университета Небраски.

Чтобы понять геологический контекст уникальных окаменелостей Эшфоллского парка, на карту тщательно нанесли весь пепел. В регионе преобладает песчаник, а пепел, в котором сохранились окаменелости, образует отдельный слой внутри этого песчаника. Толщина пепла меняется, доходя до двух метров, и картирование показывает, что толще всего он там, где изначально располагались впадины и низменности — вероятно, из-за того, что его развеивало ветром подобно снегу в метель. Пепел почти полностью состоит из мелких осколков вулканического стекла — сломанных стенок пузырьков расширяющегося газа в изливающейся магме, которые мгновенно застывают при соприкосновении с холодным воздухом на поверхности. По химическим характеристикам это стекло можно сопоставить с большой кальдерой на юго-востоке штата Айдахо, образовавшейся в результате взрывного извержения около двенадцати миллионов лет назад.

За сутки с небольшим преобладающие в регионе западные ветры перенесли пепел на полторы тысячи километров от вулкана до Небраски, и это сразу же повлияло на местную жизнь. Носороги, обнаруженные Вурхисом, и большая часть других местных окаменелостей находятся в отложениях водоема, который животные, очевидно, часто посещали. В окаменелостях заметна своеобразная иерархия: самые маленькие животные погибли первыми, они находятся внизу; более крупные располагаются наверху. В челюстях и животах крупных зверей все еще заметны остатки их последней трапезы — в основном это луговая трава. Есть также и признаки заболеваний легких. Животные вдыхали мелкий вулканический пепел и проглатывали его вместе с травой и водой из испорченного водоема; эта смертельная опасность и убила их в считанные дни. Такая судьба должна была постигнуть экосистемы на всем многокилометровом пути пепельной тучи, и скорее всего, на гораздо большей территории. Извержение, вызвавшее такое бедствие, было серьезнее выбросов Пинатубо в 1991 году, но гораздо слабее Ла-Гариты.

Крупнейшие известные извержения (список которых возглавляет Ла-Гарита) сейчас иногда называют «супервулканами» и «суперизвержениями» (или «мегаизвержениями»). Термин «супервулкан» появился недавно; его предложили не ученые, а создатели одного телевизионного документального фильма о крупных взрывных извержениях, и он прижился. Строго говоря, супервулкан и суперизвержение — разные вещи, но эти слова часто используются как синонимы. Формально их относят к извержениям с показателем не менее 8 по шкале вулканической активности (это значит, что они минимум в сто раз мощнее извержения Пинатубо). Если смотреть по объему выброшенного материала, то для получения уровня 8 вулкан должен выбросить не менее 1000 кубических километров материала.

Несомненно, такие суперизвержения случались на протяжении всей истории Земли, однако почти все известные примеры относятся к последним примерно пятидесяти миллионам лет. Эрозия, тектоника плит, а иногда и молодые отложения уничтожают кальдеры и другие красноречивые намеки на самые старые такие извержения, хотя о них рассказывают широко распространенные слои пепла в осадочных породах.

В составленном недавно списке крупнейших взрывных вулканов больше половины находится на западе Соединенных Штатов. Отчасти это происходит из-за того, что растительность тут скудна, а регион хорошо изучен геологами. Однако важную роль играют и геологические условия. На протяжении большей части последних 300 миллионов лет вдоль западного края Северной Америки проходила зона субдукции. Над ней сформировались вулканические дуги, и они вместе с кусками материков лепились к краю континента, расширяя его на запад, а геологические карты западной части Северной Америки становились похожими на лоскутное одеяло. Субдукция обеспечивала сырье для некоторых супервулканов запада Северной Америки: она утаскивала напитанные водой осадочные породы и океаническую кору под край континента, при этом высвобождались летучие вещества, которые плавили мантию. Некоторые процессы взрывного вулканизма (например, Ла-Гарита) шли во внутренних частях материка, далеко от зоны субдукции, но даже в этих случаях они, вероятно, были связаны с влиянием субдукции на кору и подстилающую мантию у края континента.

Второе после Ла-Гариты известное суперизвержение — извержение супервулкана Тоба в Индонезии, которое произошло 74 000 лет назад. Гора Тоба однозначно связана с зоной субдукции, расположенной над местом, где двигающаяся на север Индийская плита уходит под остров Суматра. В той же зоне случилось мощное индонезийское землетрясение 26 декабря 2004 года, породившее сильные цунами по всему Индийскому океану. Вулкан Тоба в прошлом извергался множество раз, о чем свидетельствуют три больших перекрывающихся кальдеры возле его вершины; самая большая (и последняя по времени) образовалась 74 000 лет назад. Общее количество выброшенного материала (примерно 2800 кубических километров) составляло чуть больше половины аналогичного показателя для Ла-Гариты (рисунок 29). Вулканический пепел Тобы накрыл всю Индию и большую часть Юго-Восточной Азии; его можно проследить от Аравийского моря на западе до Южно-Китайского моря на востоке. В общей сложности он покрыл почти 4 процента территории планеты.

Рисунок 29. Относительные оцениваемые объемы выбросов для вулканов, о которых рассказывается в этой главе. Абсолютные объемы меняются от 5000 кубических километров для Ла-Гариты до 11 кубических километров для Пинатубо.

Извержение Тобы привлекает внимание масштабами, однако важна и его дата: 74 000 лет назад на планете уже жили люди современного типа. Повлияли ли на наших предков последствия такой катастрофы? В 1998 году Стэнли Амброуз из Иллинойского университета выдвинул потрясающее предположение. По его словам, извержение Тобы могло привести к эффекту бутылочного горлышка для человечества[56]. Этот эффект хорошо известен генетикам: генетические данные показывают, что у многих видов животных все ныне живущие особи восходят к небольшому количеству предков, существовавших в какой-то момент в прошлом. Некоторые случаи бутылочного горлышка задокументированы: например, известны ситуации, когда вид находится под угрозой исчезновения, а затем восстанавливает свою численность. По-видимому, в истории человечества критическое уменьшение численности произошло где-то между 50 000 и 100 000 лет назад: оценивается, что популяция в какой-то момент составляла всего 10 000 человек (возможно, даже меньше), но затем население стало расти до современного состояния. Амброуз предположил, что воздействие Тобы на окружающую среду (особенно резкое падение температуры, вызванное тем, что аэрозоли серной кислоты блокировали солнечный свет) привело к повсеместному голоду и массовой гибели людей за исключением нескольких убежищ в тропической Африке.

Теория Амброуза вызывает споры. В частности, при недавних археологических раскопках в Индии (не так далеко от Тобы) обнаружились свидетельства того, что как минимум одна группа людей пережила извержение относительно благополучно. Раскопки показывают, что и над слоем, и под слоем пепла, который можно однозначно связать с Тобой, обнаруживаются одинаковые инструменты; это означает, что ими пользовались и до, и после этого события. Останков людей рядом с инструментами не нашли, поэтому ничего не известно о людях, которые создавали и использовали эти инструменты, но кем бы ни были эти древние люди, после того, как пепел Тобы накрыл их поселение, они во многом продолжали жить точно так же, как до бедствия. Однако имеющиеся данные ничего не говорят о численности этих людей, так что, вполне возможно, пережить катастрофу смогла лишь небольшая часть населения.

Поэтому будущее идеи Амброуза неясно: она может оказаться абсолютно неверной. И пусть данные индийских раскопок ее не подтверждают, да и у биологов пока остаются вопросы к размерам и продолжительности эффекта бутылочного горлышка для человечества, сама эта история — изящная иллюстрация того, как работает наука. Амброуз обнаружил возможное совпадение по времени между природной катастрофой и событиями эволюции человека и выдвинул гипотезу о существовании причинно-следственной связи. Он собрал определенные доказательства (время, предполагаемые экологические последствия и т. д.) своей идеи, и когда она оказалась в центре внимания, это побудило биологов и археологов внимательно изучить другие данные, которые могли бы проверить эту гипотезу. Неизвестно, выдержит ли она проверку, но проведенные исследования почти наверняка помогут лучше понять воздействие извержения Тобы на наш вид.

Каким бы ни был результат этой работы, нельзя отрицать катастрофические последствия извержения. Например, в ледяных кернах из Гренландии — практически на противоположной стороне планеты от Суматры — самый большой всплеск содержания серы за почти 100 000 лет наблюдается в слоях льда, появившихся во время извержения Тобы. Это указывает, что вулкан выбросил огромное количество двуокиси серы: по современным оценкам, оно в сто раз превышает соответствующий показатель извержения Пинатубо в 1991 году. За облаком аэрозолей после Пинатубо тщательно следили: оно облетело Землю за несколько недель и рассеялось по всему миру за несколько месяцев. Как уже говорилось, оно более чем на год понизило общемировую температуру примерно на 0,5 °C. Климатические модели показывают, что аэрозоли после извержения Тобы должны были на несколько лет понизить глобальные температуры на 10 °C. Примерно за десять лет температуры вернулись к первоначальным значениям, однако даже такое кратковременное мировое похолодание в сочетании с уменьшением количества осадков (которое также предсказывают модели), возможно, уничтожило большие участки влажных тропических лесов. Значительное уменьшение солнечного света из-за частиц в аэрозолях должно было усугубить и другие экологические проблемы.

В документированной истории человечества не произошло ни одного суперизвержения, и поэтому предполагаемое воздействие на окружающую среду приходится экстраполировать на основе более мелких наблюдаемых извержений — таких, как Пинатубо. Однако все имеющиеся данные свидетельствуют, что такой подход вполне разумен: нет ничего, что указывало бы на принципиальное качественное различие между суперизвержениями и их меньшими собратьями. Если результаты для моделирования Тобы верны, то даже при кратковременном воздействии на окружающую среду нагрузка на экосистемы всего мира окажется очень большой. Высокие уровни пыли в ледяных кернах Гренландии вскоре после всплесков количества серы — возможно, признак того, что массовое уничтожение растительности способствовало сильной ветровой эрозии суши.

Выводы о последствиях извержения Тобы подтверждают исторические данные еще об одном крупном извержении в том же регионе мира. В апреле 1815 года взорвался вулкан Тамбора, находящийся, как и Тоба, в Индонезии. Разрушения были существенными, однако мощности взрыва не хватает, чтобы считать эту катастрофу суперизвержением[57], и имеющиеся сообщения о последствиях носят скорее качественный, чем количественный характер. Тем не менее ясно, что и локальные, и глобальные последствия оказались крайне серьезными. Непосредственно от извержения и от последовавшего голода, вызванного неурожаем, погибли десятки тысяч человек. В северном полушарии, где тогда проживала большая часть населения планеты и находились основные сельскохозяйственные земли, следующий 1816 год прозвали «годом без лета». В июне и июле в Канаде и Соединенных Штатах шел снег, по обе стороны Атлантики вымирали посевы и погибал домашний скот, вызвав самый жестокий голод девятнадцатого столетия. Необычно низкая температура стояла еще два года. Если извержение Тамборы привело к таким бедам, то глобальные последствия извержения Тобы — в пятьдесят раз более мощного — должны были оказаться просто катастрофическими.

Суперизвержения Тобы и, видимо, Ла-Гариты были непосредственно связаны с процессами в зоне субдукции, однако это верно не для всех супервулканов. Не все люди сознают, что прямо под дверью у множества американцев находится активный супервулкан, не имеющий отношения к зоне субдукции, но связанный с горячей точкой в мантии. Как он называется? Йеллоустон.

Для большинства из нас Йеллоустон — это место туризма; слово вызывает в воображении чудесные пейзажи и взлетающий пар гейзера Старый Служака. В Йеллоустонском национальном парке самая большая в мире концентрация гейзеров и горячих источников, а это признак того, что недалеко под землей находится резервуар с раскаленной магмой. Геологические исследования области показывают, что за последние несколько миллионов лет магма периодически вырывалась наружу, и последнее гигантское извержение произошло 640 000 лет назад. Пепел от него покрыл большую часть центральной и западной части Соединенных Штатов, а также разлетелся по Мексике и Канаде. Образовалась гигантская Йеллоустонская кальдера размером примерно 55 на 72 километра, главная геологическая особенность парка. Возникает очевидный вопрос: пробудится ли спящий гигант в ближайшее время? Это событие крайне маловероятно, однако если заглянуть в будущее подальше — на сотни тысяч лет или больше, — оно покажется неизбежным. Природа вулканической деятельности Йеллоустона такова, что можно быть практически уверенным: в отдаленном будущем обязательно произойдет очередное разрушительное извержение. Уже сам по себе этот факт вызвал общественный интерес и научный интерес к вулканизму Йеллоустона. В 2005 году об этом рассказали в документальном фильме на канале ВВС.

Как и в случае всех остальных извержений супервулканов, для взрывов в Йеллоустоне требовалось, чтобы в неглубоко расположенных резервуарах в земной коре скопились огромные количества вязкой магмы с растворенной водой и другими летучими веществами. Источник магмы в Йеллоустоне — это плюм горячего вещества, возникшего глубоко внутри мантии. Точно так же, как цепочка гавайских вулканов отмечает перемещение Тихоокеанской плиты над горячей точкой мантии, последовательность кальдер, простирающаяся на юго-запад от Йеллоустона через Айдахо к границе Орегона и Невады, показывает путь Североамериканской плиты над Йеллоустонской горячей точкой (рисунок 30). Радиоизотопное датирование показывает, что эти кальдеры все старше по мере удаления от Йеллоустона, причем самая старая из них имеет возраст 16 миллионов лет. Путь Йеллоустонской горячей точки отмечен долиной реки Снейк — относительно плоской полосой шириной примерно в сто километров, которая пересекает гористую местность. Это плато образовано выбросами гигантских извержений, создавших кальдеры, и сопутствующей вулканической активностью, которая полностью похоронила локальные особенности рельефа[58]. Пепел одного из этих взрывных извержений вызвал гибель носорогов, найденных в Эшфоллском парке ископаемых животных. Сегодня эта горячая точка расположена непосредственно под Йеллоустонским супервулканом; с помощью сейсмических исследований получено изображение узкого канала горячего материала, уходящего глубоко в мантию.

Рисунок 30. Последовательность кальдер в западной части Соединенных Штатов, которая отмечает перемещение Североамериканской плиты над Йеллоустонской горячей точкой, которая остается примерно на месте, пока плита двигается над ней на юго-запад. Примерный возраст кальдер указан в миллионах лет (в некоторых случаях он точно не известен). Йеллоустонская кальдера сформировалась 640 000 лет назад.

Магма, которую производят горячие точки мантии, относительно легко проникает в океаническую кору, образуя вулканы, подобные вулканам Исландии или Гавайских островов, однако высокая плотность магмы обычно не позволяет ей проходить сквозь более толстую и гораздо более легкую континентальную кору. Однако при этом создается достаточно тепла, чтобы расплавить часть коры, и именно при этом процессе создается большая часть той магмы, которая в конечном итоге изливается из супервулканов, связанных с горячими точками. Кроме того, в процессе, напоминающем дистилляцию, водяной пар и другие летучие вещества поднимаются в неглубоко залегающие резервуары магмы, расположенные под вулканами, и эти сжатые газы обеспечивают энергию для взрывного извержения.

Промежутки между крупными извержениями над Йеллоустонской горячей точкой, отраженные в возрасте образованных кальдер — ключ к определению количества времени, необходимого для накопления достаточного количества магмы и газа, чтобы произошло суперизвержение. Данные рисунка 30 показывают, что для этого обычно требуется несколько миллионов лет, и что процесс не отличается регулярностью, поскольку промежутки времени различны. Имеются также свидетельства, что масштабная, хотя и не такая бурная вулканическая деятельность происходила и между кальдерообразующими суперизвержениями. Например, большую часть Йеллоустонской кальдеры заполнили потоки лавы от более поздних извержений: самому молодому из этих потоков, доминирующему в современном ландшафте, 72 000 лет. Нет никаких признаков, что в Йеллоустоне скоро возобновится вулканическая деятельность; однако любое извержение причинит локальный вред, а гигантское взрывное извержение будет иметь колоссальные последствия для всей страны и, в конечном счете, для всего мира, так что для определения текущего состояния накопления магмы под кальдерой специалисты организовали программу интенсивного мониторинга. Ответственность за координирование этой работы лежит на Йеллоустонской вулканической обсерватории — совместном предприятии Геологической службы США, Университета Юты и Йеллоустонского парка. На сайте обсерватории вы можете читать регулярные ежемесячные сводки о землетрясениях в Йеллоустоне, перемещениях почвы и других близких темах.

Если у кого-либо и оставались сомнения в сохранившейся вулканической активности Йеллоустона, то результаты мониторинга их развеяли. Сейсмографы отмечают ежегодно несколько тысяч землетрясений, GPS и другие технологии регистрируют циклы поднятия и опускания по всей кальдере со скоростью в несколько сантиметров в год, поток тепла от земли примерно в 30 раз выше, чем в среднем по региону, и фиксируется массовое выделение вулканических газов (где преобладает углекислый газ — примерно 4500 тонн в сутки). Основная проблема, с которой сталкиваются ученые — как интерпретировать полученные сведения. Хотя эти данные прояснили многое о происходящем в земной коре под кальдерой, пока неясно, какие сигналы с наибольшей вероятностью являются предвестниками следующих извержений.

Данные дистанционного зондирования (геофизического эквивалента компьютерной томографии) показывают, что в коре под Йеллоустонской кальдерой на глубине 8–19 километров имеются выраженные горячие области — вероятно, частично заполненные магмой. Местоположение небольших землетрясений и вертикальных перемещений земли, фиксируемых в Йеллоустоне, позволяют предположить, что эти магматические тела не статичны, а мигрируют по коре. Важная цель тех, кто следит за активностью Йеллоустонского супервулкана — определить, являются ли такие перемещения магмы, потоки тепла и выделение двуокиси углерода результатом впрыска новой магмы от расположенной ниже горячей точки, или их можно приписать медленному охлаждению и кристаллизации той магмы, что уже имеется под кальдерой. На этот вопрос пока нет ответа, но он имеет решающее значение, поскольку может указывать на то, близится новое извержение или нет.

Однако в какой бы точке цикла накопления магмы ни находился сейчас Йеллоустонский супервулкан, данные дистанционного зондирования показывают, что ее количество под кальдерой слишком мало, чтобы вызвать катастрофическое извержение, так что такую возможность можно отодвинуть далеко в будущее. Самая вероятная краткосрочная опасность в Йеллоустоне исходит не от настоящего извержения вулкана, а от парового взрыва. В истории кальдеры их было много, они хорошо изучены, однако неясно, что именно их инициирует, и это затрудняет прогнозирование. Похоже, что как минимум некоторые паровые взрывы происходят, когда происходят изменения в «водопроводной системе», по которой вода циркулирует под землей, а затем горячая вода и пар подаются к гейзерам и горячим источникам. Если землетрясение внезапно создает новые трещины на поверхности, то давление на находящуюся глубоко под землей перегретую воду резко снижается, она мгновенно превращается в пар и вырывается по этим трещинам наружу. Паровые взрывы, выбрасывающие камни и грязь и создающие небольшие воронки, заполненные водой, случаются в Йеллоустоне достаточно часто: их регистрируют минимум один раз в несколько лет, но многие, возможно, остаются незамеченными, поскольку парк большой и малонаселенный. В Йеллоустоне случаются и масштабные разрушительные паровые взрывы, хотя и редко. Самый крупный из них произошел 14 000 лет назад и образовал кратер диаметром в 2,5 километра — больше, чем ударный кратер Барринджера.

На Земле есть несколько потенциально активных супервулканов вроде Йеллоустонского, и геофизики весьма озабочены суперизвержениями, поскольку осознают, насколько катастрофическими для всей планеты могут оказаться последствия пробуждения любого из этих гигантов. Геологическая летопись говорит, что суперизвержения происходят значительно чаще столкновений с небольшими астероидами, которые могут вызвать эквивалентный вред, и это делает супервулканы одной из самых серьезных долгосрочных геологических угроз для человечества. Вполне реально отклонить с пути приближающийся астероид, однако в настоящее время нет методов предотвратить или хотя бы смягчить какое-нибудь суперизвержение. По сути нет даже разумных идей, как это можно сделать. И пока это так, единственные возможные меры — тщательно следить за «активными» супервулканами наподобие Йеллоустонского и готовиться к тяжелым последствиям исполинского извержения.

Однако даже это проще сказать, чем сделать. Почти наверняка мы еще не обнаружили многие вулканы, которые потенциально могут взорваться, не говоря уже об установлении за ними наблюдения. Научные организации в Соединенных Штатах и Соединенном Королевстве, а также Международная ассоциация вулканологии и химии земных недр (международное общество исследователей вулканов), создали рабочие группы и выпустили документы, чтобы максимально широко распространить самые последние сведения о крупных взрывных извержениях. Геологическая служба США находится в авангарде сил, следящих за потенциальными местами извержений[59]. Будем надеяться, что эти усилия помогут повысить осведомленность об опасностях, связанных с крупными взрывными извержениями, прежде чем проснется следующий беспокойный гигант. Как показывает опыт Пинатубо в 1991 году, заблаговременное предупреждение имеет ключевое значение для минимизации человеческих страданий при извержениях вулканов, каким бы ни был их размер.

Глава 12

Плывем, ползем и летим к настоящему

В 1818 году Адам Седжвик получил должность вудвордовского профессора геологии в Кембриджском университете. Эту должность почти век назад создал его знаменитый предшественник[60], и такое назначение стало большой честью для ученого. Однако формального геологического образования у Седжвика не было. Легенда гласит, что он пошутил: «До сих пор я не перевернул ни одного камня, отныне буду переворачивать все»[61]. Говорил он это или нет, но деятельность Седжвика вполне соответствовала этой фразе. Он стал одним из главных поборников новой науки геологии, вдохновляя студентов Кембриджа своими восторженными лекциями. Одним из его учеников был молодой Чарлз Дарвин, с которым у Седжвика сложились дружеские отношения: ученый брал Чарлза на летние полевые работы в Уэльсе, и даже во время путешествия на «Бигле» Дарвин отправлял Седжвику заметки, окаменелости и породы. Некоторые из этих образцов находятся в университетском музее геологии, носящем имя Седжвика.

Работы Седжвика в Уэльсе, где Дарвин приобретал первый опыт в геологии, послужили основой для выделения первого геологического периода фанерозойского эона — кембрийского периода. Седжвик назвал исследуемые породы Уэльса кембрийской системой (Камбрия — римское название Уэльса). Он понял, что кембрийские породы очень стары, но в нескольких местах ученый нашел породы, лежащие еще ниже, возраст которых должен был быть еще больше. В то время как в кембрийских слоях геологи обнаруживали окаменелости, в более старых породах никаких признаков жизни не было. Из-за этого Седжвик и многие его коллеги полагали, что кембрийские породы зафиксировали появление жизни на планете.

Как мы уже знаем из предыдущих глав, дела обстоят иначе. Без сомнения, фанерозойский эон, начавшийся с кембрийского периода, стал свидетелем беспрецедентного распространения и разнообразия жизни, и она в конечном итоге заняла все мыслимые экологические ниши на суше, в океане и в воздухе. Этот резкий всплеск эволюции получил название «кембрийский взрыв» из-за скорости и масштабности нарастания биологического разнообразия. Однако к моменту начала кембрийского периода 542 миллиона лет назад история жизни уже насчитывала миллиарды лет. Просто у животных кембрия впервые появились твердые части тела — раковины и защитные хитиновые панцири; они сохраняются гораздо лучше, чем их предшественники, и поэтому кембрийские (и более поздние) породы обычно содержат легко узнаваемые окаменелости. Совершенно понятно, почему Седжвик и другие геологи сочли, что жизнь впервые появилась в кембрии.

Некоторые события фанерозойского эона уже обсуждались в книге, но для завершения обзора истории Земли в этой главе дается общее представление о том, как наша планета и особенно жизнь на ней развивалась в течение последних 20 процентов ее истории. Чем ближе мы подходим к настоящему, тем больше знаем — это очевидно из временной шкалы, показанной на рисунке 1. Породы дают нам множество сведений, которые помогают разделить фанерозой на более мелкие части, нежели предыдущие стадии в истории Земли.

Земля в начале фанерозойского эона по-прежнему существенно отличалась от знакомой нам планеты. Формы континентов мало походили на современные, иным было и их расположение на земном шаре (рисунок 33). Основные массы суши лежали в южном полушарии. Материк Лаврентия, впоследствии ставший Северной Америкой, находился недалеко от экватора. Глобальные ледниковые периоды протерозойского эона — времена Земли-снежка — остались в прошлом: уровень углекислого газа в атмосфере был высоким, климат — теплым, и, поскольку постоянные ледниковые льды связывали мало воды (или не связывали ее вовсе), то уровень океанов был выше, так что значительные части континентов затопляли мелководные внутренние моря. Количество кислорода в атмосфере уступало современному лишь незначительно, что давало возможность процветать сложным морским животным. Однако на материках никаких растений еще не было, и без растительного защитного покрова они подвергались интенсивной эрозии.

Рисунок 31 — это простая временная шкала для фанерозоя, где показаны некоторые из самых важных событий, произошедших на этом отрезке геологического времени. Обратите внимание на периодические массовые вымирания, происходившие за последние полмиллиарда лет. Путь от относительно простых растений и животных, существовавших в начале фанерозойского эона, к современному сложному разнообразию оказался ухабистым, и время от времени происходили массовые исчезновения различных форм жизни. Исчезновение отдельных видов — это нормальная составляющая эволюции, однако эти редкие короткие интервалы массового вымирания затрагивали одновременно множество групп растений и животных, а во время некоторых из них виды исчезали в сотни и даже тысячи раз быстрее обычного. Как мы уже видели в предыдущих главах, эти отрезки массовых вымираний, по-видимому, были обусловлены необычными условиями окружающей среды, хотя до сих пор нет единого мнения о том, какими были эти условия в каждом конкретном случае.

Структура геохронологической шкалы неявно признавала существование массовых вымираний еще до того, как придумали этот термин. Границы поставили там, где палеонтологическая летопись показывает масштабные и резкие изменения; два из числа наиболее серьезных вымираний отмечают границы между самыми крупными подразделениями фанерозойского эона — эрами. Они отмечают пермско-триасовую границу и мел-палеогеновую границу[62] и входят в так называемую «большую пятерку» массовых вымираний фанерозоя.

В качестве пусковых механизмов этих вымираний предлагались физические изменения окружающей среды, включая, например, глобальное похолодание и оледенение, влияние масштабной вулканической активности (включая глобальное потепление, вызванное выбросами парниковых газов), повышение кислотности океанов из-за высокого содержания двуокиси углерода, выбросы ядовитого сероводорода из бескислородного океана и различные эффекты столкновений. В последние годы к причинам массового вымирания добавилась еще одна: деятельность человека. Большинство биологов считают, что мы сейчас находимся посреди кризиса биоразнообразия: в течение следующего столетия может вымереть 50 и более процентов всех существующих видов. Это исчезновение идет с беспрецедентной скоростью, несравнимой даже с самыми крайними оценками для «матери всех вымираний» — пермского массового вымирания на пермско-триасовой границе. Нынешний кризис уже назвали шестым вымиранием, и, если экологические перемены не замедлятся, он может составить конкуренцию большой пятерке фанерозоя или даже превзойти ее. Причин у современного исчезновения видов много, и все они в конечном итоге сводятся к деятельности человека: в частности, это сокращение среды обитания, добыча (охота и особенно промышленное рыболовство), глобальное потепление, вызванное сжиганием ископаемого топлива.

Рисунок 31. Временная шкала важных биологических и физических событий фанерозойского эона. Даты указаны в миллионах лет до настоящего момента. Плейстоценовый ледниковый период, длившийся несколько миллионов лет, не показан.

Сведения о пяти крупнейших вымираниях фанерозоя мы получаем в основном из палеонтологической летописи животных, обитавших в океанах. Это самые многочисленные и биологически разнообразные окаменелости из имеющихся, причем у них глобальный характер — ведь морские окаменелости встречаются на всех континентах. Имеются данные и о сухопутной жизни (особенно для мел-палеогенового вымирания — самого последнего из пятерки), но в целом наземная палеонтологическая летопись очень скудна по сравнению со сведениями о морских животных. Однако даже в случае морских животных сохраняется лишь небольшая доля живущих видов: как указывалось в начале книги, эта доля оценивается в 1 %, а это означает, что мы никогда не узнаем о большинстве животных, населявших океаны планеты. Тем не менее, несмотря на отсутствие многих растений и животных, палеонтологическая летопись фанерозоя дает четкое представление об эволюции и той роли, которую в ней сыграли массовые вымирания.

Палеонтологи не раз обдумывали и перепроверяли идею, что такие массовые вымирания могут оказаться иллюзией, результатом нерепрезентативной выборки, нераспознанными пробелами в летописи или приданием глобального характера каким-то географически ограниченным биологическим кризисам. Однако проведенные строгие статистические тесты опровергают такие возможности. Если анализировать скорость вымирания на коротких отрезках по всему фанерозойскому эону, то по масштабам выделяются пять интервалов особенно сильного снижения биологического разнообразия, когда резко падало количество видов, родов и семейств растений и животных. Большая часть исследований сосредотачивается на количестве исчезающих видов или родов, и эти данные показывают, что изменения в числе родов особенно велики для трех вымираний: на пермско-триасовой границе, на ордовикско-силурийской границе 443 миллиона лет назад (рисунок 32) и на мел-палеогеновой границе. Некоторые палеонтологи считают, что только эти три случая и следует считать настоящими массовыми вымираниями.

Мел-палеогеновое вымирание привлекло больше всего внимания, поскольку только у него есть неоспоримые доказательства какого-то мгновенного катастрофического события, совпадающего по времени с вымиранием. Однако по количеству исчезнувших видов оно занимает только третье место. Пермско-триасовая граница отмечена исчезновением минимум 95 % животных, обитавших в океанах; ордовикско-силурийское вымирание затронуло 85 %. Для мел-палеогенового вымирания этот показатель — примерно 75 %. Некоторые палеонтологи считают, что во время пермского вымирания жизнь на Земле была на грани исчезновения. Возможно, это преувеличение, ведь бактерии и археи уже пережили миллиарды лет, включая оледенения Земли-снежка, времена суперпарникового эффекта, радикальные изменения химии океанов и почти наверняка падения астероидов, еще более опасных, чем тот, с которым столкнулась Земля на мел-палеогеновой границе. Эти организмы смогли пережить даже более сложные биологические кризисы, чем кризис, отметивший пермско-триасовую границу.

Удивительно, но ордовико-силурийское вымирание — самое древнее из массовых вымираний фанерозоя — задокументировано очень хорошо. Когда ордовикский период подходил к окончанию, активность Солнца была примерно на 5 % ниже сегодняшней, однако высокий уровень углекислого газа в атмосфере (по оценкам, во много раз превышавший современный) обеспечивал сильный парниковый эффект и поддерживал высокую температуру на планете. Ни на одном из материков не имелось больших ледяных щитов. Современные материки южного полушария объединялись в континент Гондвану — часть расколотого суперконтинента Родинии. Пока Гондвана дрейфовала на юг в полярные регионы, климат резко похолодал, и начался ледниковый период. Ледниковые отложения того времени найдены в большей части северной Африки и восточной Южной Америки — регионах, которые тогда находились недалеко от Южного полюса.

Что могло вызвать ледниковый период в то время, когда уровень парниковых газов и глобальных температур был таким высоким? Одно из предположений состоит в следующем: причиной стало горообразование, особенно в восточной части Северной Америки, где над зоной субдукции начали формироваться горы, которые в конечном итоге станут Аппалачами. Оно вызвало усиленное химическое выветривание, которое истощило атмосферный диоксид углерода и привело к глобальному понижению температуры. Когда в высоких широтах Гондваны стали появляться ледники, понижение температуры усилило эффекты обратной связи, особенно повышение альбедо.

Рисунок 32. Биологическое разнообразие различных типов морских животных, выраженное в количестве обнаруженных в окаменелостях родов (с шагом в два миллиона лет) около ордовикско-силурийской границы. Во всех случаях видно резкое падение при переходе через границу, обозначенную темной вертикальной линией. (Данные взяты из работы: J. J. Sepkoski, A Compendium of Fossil Marine Genera, Bulletins of American Paleontology 363 [2002]).

Какова бы ни была причина ледникового периода, толстые материковые льды связали большое количество воды, и уровень океанов упал. Это хорошо заметно по структуре осадочных пород того времени. Внезапно исчезли мелководные внутренние моря, которые затопляли части континентов в течение ста миллионов лет и более. Ордовикским животным нанесли двойной удар: во-первых, они были приспособлены к теплому климату и страдали от резкого понижения температуры воды, во-вторых, из-за отступления морей уменьшилось количество мелководий, где они процветали. Кроме того, изменения оказались такими быстрыми, что оставалось мало времени, чтобы к ним приспособиться. Многие виды, роды и семейства не смогли справиться с такими бедами и исчезли.

Сведения об условиях на поверхности Земли дофанерозойских времен можно извлечь из химических и физических характеристик осадочных пород. Однако появление окаменелостей в кембрии стало дополнительным полезным показателем, поскольку жизнь крайне чувствительна к изменениям внешней среды. Отдельные виды могут приспособиться к конкретному узкому диапазону температур, мелководью или глубине, определенному химическому составу морской воды. Поэтому наличие или отсутствие различных типов окаменелостей (особенно во времена массового вымирания) служит ярким свидетельством изменения окружающей среды.

При переходе от ордовика к силуру пострадали все изучаемые группы животных, и подробная детализация того, какие виды, роды и семейства вымерли — хороший пример того, насколько успешно геологи используют окаменелости для расшифровки прошлого, даже если этой информации уже полмиллиарда лет. Возьмем, к примеру, брахиоподов (плеченогих) — морских животных с раковинами, немного похожих на моллюсков. Плеченогие живут и в современных океанах, но в основном в глубоких холодных водах или на высоких широтах, и поэтому не так часто встречаются в коллекциях раковин. Однако в ордовикском периоде брахиоподы были крайне многочисленны, жили повсюду, и их окаменелости распространены очень широко.

Картина вымирания плеченогих на ордовикско-силурийской границе показывает, что ключевым фактором этого биологического кризиса стало оледенение. Во время ордовика в разных условиях жили различные группы брахиоподов: со временем они эволюционировали, но мало менялись как сообщества — каждая группа занимала собственную экологическую нишу. Два таких сообщества приспособились к жизни в теплых мелких водоемах: одна группа жила в открытых океанских водах по берегам континентов, а другая занимала внутренние моря материков. Эти группы существовали отдельно, они мало менялись со временем и слабо смешивались между собой. Когда быстрый рост ледников привел к понижению уровня океана и исчезновению внутренних морей, сообщество населявших их брахиоподов было уничтожено. Их родственники на окраинах континентов тоже пострадали, но не в такой степени. Брахиоподы внутренних морей, по-видимому, не смогли достаточно быстро приспособиться или мигрировать и в результате вымерли. Но когда ледниковый период закончился, климат потеплел, а уровень моря после таяния льдов снова поднялся, мелководные водоемы на континентах возродились. Животные той группы, которая жила на границах океана и континентов и никогда раньше не вторгалась во внутренние моря, теперь эволюционировали, адаптировались и быстро захватили вновь появившиеся континентальные водоемы. Такие изменения — прямая реакция на воздействие оледенения, и их можно детально реконструировать, составив подробную карту, когда и где жили такие ископаемые организмы.

Ход ледникового периода можно также проследить по окаменевшим останкам других групп плеченогих. Геологические данные показывают, что даже те из них, что жили в высоких широтах и поэтому уже были приспособлены к пониженным температурам, все равно не смогли справиться со скоростью и серьезностью похолодания ледникового периода и исчезли. Некоторым группам удалось выжить, мигрировав в более низкие теплые широты, однако после окончания ледникового периода они все равно вымерли при повышении температуры. Детальный послойный анализ осадочных пород показывает, что такое сдвоенное вымирание (с пиком исчезновения в начале и конце ледникового периода) характерно и для других групп животных. Однако, как и в случае всех крупных вымираний, те группы, что сумели пережить периоды быстрых изменений в окружающей среде, после кризиса демонстрировали всплеск эволюции. В течение ста миллионов лет брахиоподы стали еще более разнообразными, чем были до массового вымирания.

У каждого из массовых вымираний фанерозоя своя история, но в любом случае палеонтологическая летопись показывает, что вымирали даже географически широко расселившиеся и успешно приспособленные к среде виды. По определению успешно адаптированные виды способны противостоять обычным биологическим и физическим проблемам — хищникам, болезням и — в какой-то степени — изменениям климата; отсюда следует, что перемены в окружающей среде во время массовых вымираний оказались крайне необычными и, возможно, резкими, оставив организмам слишком мало времени на приспособление. Многие виды, пережившие такие кризисы, сумели это сделать, поскольку обладали характеристиками, позволявшими им противостоять быстрым переменам. Выживали действительно самые приспособленные, однако необходимая «приспособленность» зависела от характера перемен. Такой по существу случайный процесс определил дальнейший ход эволюции: выжившие группы быстро эволюционировали и распространились, захватив те места обитания, что ранее были заняты другими организмами. Классический пример, который будет обсуждаться далее в этой главе — мел-палеогеновая граница, после которой млекопитающие быстро вытеснили динозавров.

Хотя пятерка самых крупных вымираний оказала непропорционально большое влияние на эволюцию, многие из судьбоносных перемен в жизни на Земле проходили медленно и не в столь суровых условиях. Одним из наиболее важных событий был выход из моря на сушу, и назвать его даже «судьбоносным» — значит недооценить. Просто подумайте о последствиях: когда растения и животные, привыкшие к жидкой морской среде, выбрались на сушу, должна была измениться сама структура их организмов — иначе их попросту раздавило бы собственным весом. Перед растениями стоял вопрос получения воды: если они неподвижны, как же им получать воду на суше, и как ее удерживать? Животным пришлось выработать способность получать кислород непосредственно из воздуха, а не из воды. И животные, и растения столкнулись с колебаниями температуры, которые превосходили привычные им — как в течение дня, так и в течение года. Яйца животных нужно было защищать от высыхания, а споры растений — рассылать не по течению, а во всех направлениях. Зато и приз был огромен: помимо океана появился целый новый мир, который можно было заселять.

За последние несколько десятилетий мы значительно продвинулись в понимании того, как происходил этот переход из океана на сушу. Отчасти это произошло благодаря поиску и обнаружению новых окаменелостей, которые в средствах массовой информации часто именуют «недостающими звеньями», поскольку они заполняют пробелы в существующей палеонтологической летописи. Некоторые новые окаменелости нашли в поле, но немало находок обнаружилось на пыльных полках музеев, где они много лет пролежали неопознанными и неустановленными. Успехам способствовали и новые средства изучения окаменелостей: рентгеновские лучи, электронные микроскопы, компьютерная томография и построение трехмерных компьютерных изображений, которые помогают понять, как функционировали ныне вымершие животные.

Частью этой недавно пересмотренной истории были животные с позвоночником — наши далекие позвоночные предки. Из-за небольшого количества подходящих окаменелостей и множества пробелов в летописи общепринятое представление о том, как позвоночные приспособились к жизни на суше, базировалось на теории знаменитого палеонтолога из Гарвардского университета Альфреда Ромера. Уже было хорошо известно, что первые наземные позвоночные произошли от рыб, а их конечности — от плавников. Ромер предполагал, что ноги развились у существ, похожих на современных двоякодышащих рыб — пресноводных рыб, которые могут дышать воздухом и способны переживать периоды засухи, зарываясь в ил. Они стали полностью наземными, когда перемещались из одного водоема в другой в засушливое время.

Эта идея выглядела привлекательной, однако анатомия недавно обнаруженных окаменелостей перевернула всю эту теорию. Оказывается, приспособления, необходимые для жизни на суше, были созданы не рыбами, которым каким-то образом приходилось перемещаться по суше, а рыбами, жившими исключительно в водной среде. Адаптация началась на мелководье вдоль берегов — возможно, в частично солоноватых эстуариях и прибрежных болотах. Плавники превратились в короткие ноги, которые, вероятно, по-прежнему использовались в качестве весел при плавании, однако могли еще и толкать животных по дну на мелководье. Череп стал более плоским и отсоединился от плеч, так что животные могли оттолкнуться от дна и приподнять голову над поверхностью. Наряду с жабрами появились легкие, для их защиты увеличились ребра. Когда эти животные высовывали головы из воды, они могли дышать воздухом. В тот момент они еще не могли выжить на суше, поскольку не выдержали бы их скелеты. Но они двинулись туда.

Все сухопутные позвоночные относятся к группе животных, называемых четвероногими или тетраподами. Этот термин относится даже к птицам, у которые две ноги превратились в крылья, и к змеям, у которых ног нет вовсе (однако ноги имелись у предков змей, и рудименты этих древних конечностей сохранились у некоторых разновидностей). В палеонтологической летописи самые первые четвероногие, все еще живущие на мелководье, зафиксированы примерно 363 миллиона лет назад. Однако в 2004 году на острове Элсмир на севере Канады был обнаружен еще более старый скелет существа, выглядевшего частично рыбой, частично четвероногим. Первооткрыватели назвали его «тиктаалик» — инуитским словом, означающим большую рыбу. Конечности животного больше походят на плавники, однако некоторые другие его признаки напоминают четвероногих. Кто-то назвал его «рыбоног», и это слово закрепилось. Возраст пород, в которых нашли рыбонога, составляет 375 миллионов лет, и это важный шаг в эволюции четвероногих. Пока все еще обсуждается вопрос, действительно ли мы имеем дело с недостающим звеном, или это всего лишь одно из удивительного множества морских созданий, эволюционировавших в сторону наземного образа жизни.

Почему четвероногие вышли на сушу? Один из возможных ответов — «потому что она существует»[63], и какая-то доля правды в этом, по-видимому, есть. Мы не знаем подробностей, но их предки, возможно, рискнули отправиться на мелководье, чтобы уйти от хищников, чтобы питаться другими рыбами, искавшими защиты в эстуариях и прибрежных болотах, богатых растительностью, или просто для того, чтобы погреться на солнце, как это делают черепахи и крокодилы. Переход к наземной жизни происходил постепенно. Даже первые по-настоящему наземные четвероногие, подобно иммигрантам в новой стране, не могли решить, оставаться им там или нет: они были земноводными, которые возвращаются в воду, чтобы отложить яйца или даже провести там часть своего жизненного цикла.

Четвероногие появились на суше относительно поздно. Намного раньше здесь оказались растения и мелкие беспозвоночные животные — например, членистоногие, к которым принадлежат насекомые, крабы или скорпионы. Поскольку на суше окаменелости сохраняются намного хуже, чем в океанах, то в палеонтологической летописи есть масса пробелов, и самые старые окаменелости определенного наземного растения или группы животных дают лишь оценку для времени их первого появления[64]. По мере обнаружения новых окаменелостей оценки постоянно меняются.

Первое доказательство того, что растения вышли на сушу — споры, найденные в осадочных породах Омана. Их возраст оценивается в 475 миллионов лет, и это делает их более чем на 100 миллионов лет старше первых наземных четвероногих. Никто не знает, как выглядели эти первые растения, но они не походили на современные. Они были мелкими, а их споры от пересыхания защищала оболочка. Вскоре эволюция стала создавать настолько хорошо защищенные споры, что разрушить их было практически невозможно. Это не только помогало растениям размножаться, но и оказалось хорошим подспорьем для палеонтологов, поскольку споры хорошо сохранялись. Ветер уносил их в озера и моря, и с помощью их окаменелостей, которые находят на дне водоемов, можно проследить эволюцию растений, их породивших.

В отличие от спор, самые первые отпечатки наземных растений обнаружены в породах возрастом около 425 миллионов лет. Хотя к тому моменту растения колонизировали сушу уже минимум пятьдесят миллионов лет, они все еще были мелкими и примитивными, без листьев и с недоразвитой корневой системой. Но перенесемся еще на пятьдесят миллионов лет вперед — и у растений уже есть прочные деревянистые стебли, которые удерживают их в вертикальном положении и доставляют воду и питательные вещества к веткам и листьям. Ландшафт усеивают крупные папоротники и примитивные деревья, особенно во влажных местах — эстуариях, дельтах и речных долинах. Именно с этой средой столкнулись первые четвероногие, вышедшие на сушу из своих болотистых прибрежных мест обитания.

Задолго до тетраподов на суше оказались мелкие существа. Первое известное нам животное — неприметная многоножка, которая прославилась как первое среди найденных существо, дышавшее воздухом и ходившее по земле. Ископаемую многоножку нашли в шотландских осадочных породах, которым 428 миллионов лет: иными словами, ей примерно столько же, сколько первому отпечатку наземного растения. Это существо «прославилось» больше прочих, но на суше, безусловно, жили и более ранние беспозвоночные, просто их еще не нашли. В чуть более молодых породах (от 396 до 407 миллионов лет) исследователи обнаружили останки первого известного настоящего насекомого. От него сохранились только фрагменты, и крылья отсутствуют, однако ученые обнаружили другие признаки, указывающие на то, что это было крылатое насекомое. Удивительно, но с помощью микроскопов палеонтологи смогли также разглядеть и описать мельчайшие детали челюстей и зубов этого хрупкого существа. В результате они пришли к выводу, что насекомое было грызущим. Что именно оно грызло, неизвестно, но выбор ограничен. Во времена его жизни растения были еще мелкими и либо не имели листьев, либо их листья были жесткими и колючими. В рацион первых насекомых могли также входить споры растений или другие мелкие беспозвоночные. Важный вывод из обнаружения этих различных окаменелостей: уже тогда, более 400 миллионов лет назад, на суше существовала разнообразная флора и фауна. Да, организмы были мелкими, а ареал их распространения ограниченным, однако плацдарм был создан. Меньше 200 миллионов лет отделяет первые имеющие раковины организмы из морей раннего кембрия от рыб, кораллов, наземных растений, насекомых и амфибий позднего девона и раннего карбона. На протяжении всего фанерозойского эона (за исключением коротких интервалов вымирания) разнообразие жизни на Земле неуклонно увеличивалось. Количество видов, родов, семейств и более высоких таксонов в биологической классификации следует одной и той же тенденции возрастания. Чтобы изложить то, что известно о деталях эволюции, понадобилась бы целая книга (или даже не одна), так что на оставшихся страницах этой главы я коснусь лишь нескольких основных моментов. Мы продолжим свой путь от времен первых четвероногих к современности, обращая внимание на некоторые данные летописи пород, раскрывающие как эволюцию жизни, так и эволюцию самой планеты. При этом можно обращаться к рисунку 31, особенно если вы не очень хорошо знакомы с геохронологической шкалой.

Карбон или каменноугольный период, в котором процветали первые четвероногие, получил свое название за обилие углерода, содержащегося в его породах. Большая часть этого углерода существует в форме угля. Куски угля есть и в некоторых более старых осадочных породах, однако именно в породах карбона в Европе и Северной Америки уголь встречается в неимоверных количествах. Откуда внезапно взялось столько угля? Почему именно в этих местах? Ответы на эти вопросы дает эволюция растений и тектоника плит.

В течение каменноугольного периода Северная Америка и большая часть современной Европы объединялись в один континент, который располагался по обе стороны от экватора. К тому времени у растений уже появились толстые прочные стволы, которые позволяли подниматься на десятки метров. В тропиках вдоль побережий располагались колоссальные угольные болота, где росли высокие деревья, гигантские папоротники и многие другие типы растений. В этой плодородной среде создавалось огромное количество органического материала, и во многих местах он создавал толстые отложения торфа. После попадания в землю, под влиянием высокого давления и температуры торф превращался в уголь.

Однако растения каменноугольного периода жили не только на угольных болотах: они активно видоизменялись и занимали новые ниши. Впервые в истории Земли образовались почвы того вида, что мы знаем сегодня: наполненные разлагающимся растительным материалом, бактериями и мелкими ползающими созданиями. Корни растений и органические кислоты помогали разрушать твердые породы, ускоряя образование почв. Быстрое распространение растений оказало и еще один эффект: с помощью фотосинтеза растения забирали из атмосферы углекислый газ и превращали его в органический углерод. Большая часть этого углерода ушла из атмосферы на длительные сроки, сохранившись в почвах или в виде угля, и содержание двуокиси углерода в воздухе снизилось.

Залежи угля в карбоне обладают интересной особенностью: они обычно встречаются в виде чередующихся слоев угля и морских осадочных пород. В силу экономической важности эти залежи изучали очень подробно, и причины такого чередования хорошо известны — это результат колебаний уровня моря. Когда уровень был низким, прибрежные болота процветали; когда он повышался, то болота затоплялись, а органические остатки погребались под океаническими отложениями. Но почему уровень моря колебался? Почти наверняка это происходило из-за циклов оледенения, похожих на те, что вызывали изменения уровня моря во время плейстоценового ледникового периода. По мере того как буйная растительность карбона забирала двуокись углерода из атмосферы, парниковый эффект ослабевал, и температура падала. Гондвана по-прежнему находилась в районе Южного полюса, и на ней начал образовываться постоянный лед. Повышение альбедо способствовало дальнейшему похолоданию, а астрономические циклы Миланковича, описанные в главе 8, вызывали поочередное наступление и отступление льдов, что и привело в результате к колебаниям уровня моря, сформировавшим слоистые залежи угля.

Каменноугольный ледниковый период был как минимум таким же масштабным и определенно более длительным (он продолжался и в пермском периоде), чем ледниковый период в конце ордовика. Ледниковые отложения каменноугольно-пермских событий обнаруживаются в Южной Африке, Австралии, Южной Америке и Индии. Альфред Вегенер использовал их при разработке теории дрейфа континентов. Однако несмотря на продолжительность и географические масштабы, на каменноугольно-пермский ледниковый период не приходится ни одно массовое вымирание — возможно, потому, что он начинался постепенно, а первоначальное понижение уровня моря оказалось не таким катастрофическим (для среды обитания), как то, что случилось в конце ордовика.

Однако в конце пермского периода произошло крупнейшее из большой пятерки вымираний, в результате которого погибла большая часть жизни на Земле. Как описывалось в главе 10, имеющиеся факты в целом свидетельствуют, что вымирания происходили поэтапно в ответ на относительно постепенные изменения окружающей среды, за которыми последовали одно или несколько кратковременных катастрофических событий, вероятно, связанных с излияниями Сибирских траппов.

Ко времени пермско-триасового вымирания суперконтинент Пангея уже полностью сформировался. Пангея была сильно вытянута: на юге современные материки южного полушария входили в Гондвану, а на севере располагались современные Европа, Северная Америка и большая часть Азии (рисунок 33). Фактически можно было пройти по суше от полюса до полюса. Однако после вымирания осталось мало животных, которые могли бродить по этой обширной территории, и точно так же мало животных оставалось в едином океане, окружавшем Пангею. Кризис оказался настолько серьезным, что восстановление биологического разнообразия до прежнего уровня потребовало много времени — оно шло гораздо медленнее, чем при других крупных вымираниях фанерозоя. Одно из свидетельств его серьезности — так называемые таксоны Лазаря, названные так по имени воскрешенного библейского персонажа[65]. Существуют виды животных, которые полностью исчезли из палеонтологической летописи на пермско-триасовой границе, но затем появились снова после огромного перерыва. Наиболее вероятное объяснение таково: такие виды едва смогли выжить при вымирании, сохранившись только в отдельных местах и в малом количестве; потребовалось много времени, чтобы они снова стали настолько многочисленными, чтобы мы смогли найти их окаменелые остатки.

Рисунок 33. Положение континентов в начале кембрийского периода (внизу), рядом с пермско-триасовой границей (в середине) и на мел-палеогеновой границе (вверху). На самой ранней из карт Лаврентия включает большую часть современной Северной Америки; Балтика — Скандинавию, Восточную Европу и части западной России, а Гондвана — нынешние материки южного полушария (Африку, Австралию, Антарктиду и Южную Америку) и Индийский субконтинент. К моменту окончания мелового периода форма материков уже вполне узнаваема. (По материалам карт Рона Блейки, университет Северной Аризоны; смотрите http://jan.ucc.nau.edu/~rcb7/).

Пермско-триасовое вымирание погубило множество земноводных и пресмыкающихся, которые произошли от первых четвероногих. Но спустя примерно 20 миллионов лет после этого вымирания, то есть около 230 миллионов лет назад, появились динозавры. Такой возраст имеет одна палеонтологическая находка, найденная в Южной Африке: маленькое плотоядное создание примерно метровой длины с массой около 9 килограммов, которое выглядит как динозавр или его непосредственный предшественник. Примерно в то же самое время шел переход от рептилий к «рептилиям, похожим на млекопитающих», а затем к истинным млекопитающим. Палеонтологи спорят, какие именно признаки определяют настоящих млекопитающих, и когда именно появились такие признаки, однако к концу триасового периода (между 210 и 205 миллионами лет назад) развились мелкие животные, которые были либо млекопитающими, либо их непосредственными предками. Одно из таких созданий в прекрасно сохранившемся виде нашли в 1991 году в породах китайской провинции Юньнань: возраст этих пород — 195 миллионов лет. Существо относилось к ныне вымершей ветви млекопитающих и было совсем крошечным: животное весило всего пару граммов (для сравнения: это примерно масса самой маленькой из современных летучих мышей). Такие мелкие звери не могли конкурировать с динозаврами, которые быстро породили множество разновидностей и стали доминирующими позвоночными на 150 с лишним миллионов лет. Но когда на мел-палеогеновой границе динозавры вымерли, млекопитающие быстро эволюционировали, стали крупнее и освоили новые места обитания.

Вскоре после пермско-триасового вымирания Пангея стала распадаться на части. В течение следующих 225 миллионов лет и вплоть до настоящего времени континенты откалывались, дрейфовали, иногда сталкивались, поднимая горные хребты — в частности, Гималаи и Альпы. Распад начался с появления в коре Пангеи разломов, вероятно, вызванных поднятием горячего материала мантии, который вспучил вышележащую литосферу, растягивая ее, пока она не треснула. Один из разломов разделил Африку, Северную Америку, Южную Америку и в конечном итоге превратился в нынешний Атлантический океан. Первоначально эти разломы походили на современный Восточно-Африканский рифт — почти прямые рифтовые долины с крутыми стенами, где шла активная вулканическая деятельность. Однако постепенно разломы расширились и соединились с окружающим океаном. Долины заполнила морская вода. Однако процесс отличался бессистемностью: разломы были достаточно узкими, и излившаяся лава или поднятие береговой линии могли закрыть соединение с океаном; когда такое происходило, морская вода полностью испарялась, оставляя после себя только залежи соли. Затем океан снова наступал, и все повторялось. Записи об этих событиях хранятся в толстых подводных соляных отложениях вдоль побережий Африки и Южной Америки, а также в Мексиканском заливе: все они образовались на начальном этапе распада Пангеи.

Раскол северных частей Пангеи происходил гораздо позже: например, Гренландия и Европа разделились всего около 60 миллионов лет назад, образовав Норвежское море. В южном полушарии также начала распадаться Гондвана. Антарктида осталась у Южного полюса — это место она занимала больше 200 миллионов лет. Однако около 130 миллионов лет назад Индия отошла от Мадагаскара, устремилась на север и столкнулась с Азией примерно 50 миллионов лет назад, как описывалось в главе 5. Австралия начала отделяться от Антарктиды примерно 80 миллионов лет назад, и поначалу двигалась на север медленно. Но последние 40 миллионов лет (или около того) она перемещается быстрее, а ее нынешняя траектория заставляет предположить, что когда-нибудь в будущем она столкнется с Юго-Восточной Азией, пришив к своей северной границе новые континентальные фрагменты.

Вот еще один пример того, как взаимосвязаны все процессы на Земле: распад Пангеи оказал прямое воздействие на эволюцию. Когда после пермско-триасового вымирания биоразнообразие начало восстанавливаться, на планете существовали фактически один континент и один океан. В принципе морские организмы могут жить по всей береговой полосе без значимых географических барьеров. На суше помехи имелись — например, горные хребты и крупные реки, однако не существовало каких-то непреодолимых физических препятствий, которые мешали бы животным колонизировать почти весь континент. Но когда Пангея стала распадаться, ситуация изменилась.

Яркий тому пример — млекопитающие. До того, как суперконтинент начал разделяться на части, сумчатые млекопитающие, отличавшиеся короткой беременностью, но длительным последующим пребыванием в сумке матери, в изобилии водились в северных частях Пангеи (современные Азия, Европа и Северная Америка). Возраст самого древнего ископаемого сумчатого — около 125 миллионов лет. Прекрасно сохранившийся скелет небольшого лазающего по деревьям существа, демонстрирующий даже отпечатки шерсти, найден в Китае, и многие палеонтологи считают, что разделение плацентарных и сумчатых млекопитающих произошло в Азии в начале мелового периода, незадолго до времени жизни этого ископаемого зверька. Впрочем, где бы ни появились сумчатые, они мигрировали в некоторые части южного континента Гондвана, когда он еще не начал раскалываться на части.

Сегодня сумчатые обитают практически исключительно в Австралии и Южной Америке, и основная причина этого — последовательность деления Пангеи. Особенно ярким примером является Австралия. Сумчатые появились здесь до отделения материка от Антарктиды, и как только это произошло, континент оказался в географической изоляции. В течение десятков миллионов лет к местным сумчатым не присоединялись новые виды млекопитающих, и поэтому те экологические ниши, которые на другие континентах занимают плацентарные млекопитающие, в Австралии постепенно заняли сумчатые. Поскольку тектоническое перемещение плит в относительно недавнем прошлом приблизило Австралию к Индонезии, то некоторым небольшим плацентарным млекопитающим из Азии (например летучим мышам и мелким грызунам) удалось перебраться через достаточно узкую водную преграду, однако в фауне континента по сей день продолжают доминировать сумчатые. Из-за длительной изоляции материка уникальными являются и другие группы австралийских животных — пресмыкающиеся, земноводные, насекомые и даже рыбы.

Есть одна среда, которую я до сих пор еще не обсуждал: воздух. Как мы видели, насекомые летали уже в девоне — минимум 400 миллионов лет назад. Однако крупные животные поднялись в небо гораздо позднее. Первыми были птерозавры, «летающие ящеры», которые появляются в палеонтологической летописи примерно 220 миллионов лет назад, во время триасового периода. Птерозавры летали в небесах Земли более 150 миллионов лет, и к концу мелового периода некоторые из них достигли гигантских размеров — найдены окаменелые останки с размахом крыльев в 9 метров.

Однако птерозавры исчезли при мел-палеогеновом вымирании. Откуда тогда взялись нынешние обитатели воздуха — птицы? Эта проблема интересовала палеонтологов очень много лет. Палеонтологические данные говорят, что предками первых птиц были мелкие подвижные динозавры, называемые тероподами. Хотя тероподы не умели летать, они бегали на задних лапах, а у некоторых развились относительно длинные «руки» и кисти. Одна из причин их проворства — легкие полые кости, которые характерны для птиц. Анализ скелетов заставляет предположить, что у них имелась мышечная структура, позволявшая им свести передние конечности вместе, чтобы схватить какое-нибудь летающее насекомое, и это движение сходно со взмахом крыла птиц. У некоторых тероподов также появились перья (может быть, для теплоизоляции), и наличие перьев, возможно, помогало им прыгать или планировать в погоне за добычей. Некоторые мелкие динозавры могли планировать с дерева на дерево как современные белки-летяги. Такие идеи пока еще являются умозрительными, но они основаны на данных, полученных от окаменелостей.

Самая старая из известных настоящих птиц жила 150 миллионов лет назад в конце юрского периода, когда Земля еще кишела динозаврами. Окаменелые останки этого существа нашли в известняковом карьере на юге Германии в 1861 году. Хотя позднее в той же известняковой формации обнаружились и другие окаменелости, более ранних птиц пока не находили. Животное получило название археоптерикс, у него имелись широкие крылья и длинный хвост, а перья на крыльях оказались асимметричными — это крайне важный признак перьев, предназначенных для полета. Археоптерикс оказался довольно небольшим: самые крупные особи, вероятно, не достигали в длину и полуметра. Эти существа определенно могли подниматься в воздух, но не умели летать так, как большинство современных птиц. Неясно также, использовал ли он в основном планирующий полет или мог также махать примитивными крыльями.

Археоптерикс сыграл важную роль в первых спорах об эволюции. Британский биолог XIX века Томас Гексли, который первым связал происхождение птиц с динозаврами, видел в археоптериксе недостающее звено. Он также заявлял, что эта окаменелость доказывает правоту Дарвина, который опубликовал свое «Происхождение видов» всего за несколько лет до открытия археоптерикса (за яростную защиту дарвиновских взглядов Гексли нередко называли «бульдогом Дарвина»). После 1990-х годов найдено много новых окаменелостей, которые заполняют некоторые пробелы между археоптериксом и более ранними динозаврами-тероподами, а также более развитыми птицами. Эволюционная связь, предложенная Гексли, больше не подлежит сомнению.

Как только динозавры научились летать и стали птицами, они быстро приобрели разнообразие и приспособились к широкому диапазону источников пищи и различных сред обитания. Некоторые, как современные пингвины, попав в среду с малым количеством хищников, даже утратили способность летать. Другие же стали изумительными летунами. Рекорд в современном мире принадлежит серому буревестнику — морской птице, которая ежегодно совершает дальние перелеты между южным и северным полушариями; по некоторым оценкам, длина этих перелетов — невероятные 64 тысячи километров за год[66]. Буревестники (и некоторые другие морские птицы) могут также быстро «летать» под водой, бросаясь за добычей.

Как это ни парадоксально, но последнее великое вымирание фанерозойского эона, ознаменовавшее мел-палеогеновую границу, стерло с лица земли динозавров, но не их потомков-птиц. Как и все прочие группы растений и животных, птицы сильно пострадали (несколько успешных групп, распространившихся в меловом периоде, исчезли), однако не так сильно по сравнению с другими формами жизни. Их высокий уровень выживаемости по-прежнему остается загадкой для орнитологов, особенно если учесть, что при этом не выжили мелкие динозавры, которые, вероятно, имели тот же размер, что и некоторые крупные выжившие птицы, и занимали сходные ниши. Так или иначе, исчезновение динозавров открыло новые возможности и для птиц, и для млекопитающих. Все оставшиеся группы растений и животных восстанавливались очень медленно, но за несколько миллионов лет была подготовлена почва для эволюционного марша к современному захватывающему разнообразию живых существ.

Кайнозойская эра стала последней в фанерозое и продлилась шестьдесят пять миллионов лет — не так много с геологической точки зрения, но даже за это время наша планета претерпела массу изменений. Из разрушенного мира, оставшегося после мел-палеогенового вымирания, родились современные птицы, от неприметного крапивника до ярко окрашенного тукана с гигантским клювом, от долговязого страуса до стремительного колибри. Потрясающего разнообразия достигли и млекопитающие, от исполинских китов до летучих мышей и крошечных землероек до людей. Когда дрейфующие части Пангеи столкнулись, поднялись Гималаи и Альпы, и тридцать пять миллионов лет назад мир стал неуклонно остывать, приближаясь к плейстоценовому ледниковому периоду последних нескольких миллионов лет. Совсем недавно мы вошли в новый период истории — «антропоцен», как назвал его лауреат Нобелевской премии Пауль Крутцен[67]. Человек стал значительной геологической силой, способной изменить (сознательно или нет) ход истории планеты. Нынешние заметные проявления этих способностей — изменения климата и шестое вымирание. Однако не все такие изменения отрицательны. Люди могут также прогнозировать и защищать. Будущее Земли в значительной степени находится сейчас в наших руках.

Глава 13

Зачем нужна геология

Я надеюсь, что предыдущие двенадцать глав открыли окно в многогранный мир науки о Земле. Эта область зародилась задолго до того, как придумали слово геология — как чисто практическое стремление найти и извлечь полезные для человека материалы: кремень и обсидиан для оружия, гематит (минерал железа) для первых мелков и красок для раскрашивания тела, глину для гончарного дела, железо и медь для инструментов и украшений. Сегодня почти все, чем мы пользуемся в повседневной жизни, поступает к нам из недр Земли, и геология играет ключевую роль в нашем ненасытном стремлении к материалам и энергии. Однако геонаука вышла далеко за рамки практической пользы. В самом широком смысле это сочетание исследований атмосферы, океанов, твердой поверхности Земли и даже других планет солнечной системы. Возможно, это самая междисциплинарная из всех наук, объединяющая усилия математиков, физиков, химиков, инженеров и биологов. Все эти ученые в конечном итоге преследуют одну цель — лучше понять природные процессы, идущие на Земле. Они могут заниматься узкими полевыми исследованиями или какой-нибудь масштабной темой вроде тектоники плит, но все они постоянно обнаруживают новые сведения о том, как работает наша планета. При этом постоянно появляются новые дисциплины — например, развивающаяся область биогеохимии, которая, как следует из названия, находится на стыке химии, биологии и геологии. Причина, по которой сегодня важна наука о Земле, заключается в том, что в этой сфере лежат ключи к пониманию многих насущных проблем, стоящих перед обществом.

Что это за проблемы? Их много, но самыми важными являются доступность энергии и минеральных ресурсов; доступ к пресной воде; изменения климата; увеличение кислотности океанов; экологическая стабильность сельского хозяйства; поддержание биоразнообразия. Многие из этих вопросов взаимосвязаны, и некоторые из них уже затрагивались в этой книге. Вы можете сказать, что последние два пункта — за пределами компетенции наук о земле, и будете отчасти правы. Однако для решения этих проблем геонауки тоже нужны. Например, палеонтологи обладают собственным взглядом на современное биоразнообразие, поскольку знают об эволюции и вымираниях. Для решения многих проблем сельского хозяйства требуется разбираться в почвоведении и понимать процессы эрозии — но и то, и другое является неотъемлемой частью наук о Земле. Как я постоянно пытался подчеркнуть, чтобы осознавать функционирование Земли, расшифровывать ее историю и прогнозировать будущее, важно иметь целостное представление о всей планете. Эта идея не нова, но широкое признание она получила только в последние десятилетия. Становится все яснее, что между различными земными процессами существуют связи, которые на первый взгляд не очевидны: например, океанографам, чтобы понять химию океана, сегодня нужно знать химию атмосферы, минералогию и выветривание наземных горных пород, а палеонтологи для понимания палеонтологической летописи должны быть знакомыми с тектоникой плит, химией атмосферы и изменениями химии океана. Изолированно рассматривать отдельные части Земли уже нельзя.

Это представление хорошо иллюстрирует минералогия. Ее часто считают сухой дисциплиной: целые поколения студентов-геологов вынуждены изучать свойства различных минералов, чтобы научиться их идентифицировать, и иногда они задаются вопросом, какой во всем этом смысл. Когда я был студентом, у нас на факультете провели знаменитый (или, возможно, печально знаменитый) экзамен: проверка белых минералов. Все предложенные образцы были белыми, и многие из них являлись редкими белыми разновидностями минералов, обычно имеющих другой цвет; от нас требовалось идентифицировать минералы не по цвету, а по другим характеристикам. Это было непросто. Экзамен был призван подчеркнуть, что для определения минерала нужно рассматривать все признаки образцов, но мы все равно задумывались, есть ли толк от такого упражнения. Однако в 2008 году Роберт Хейзен из Института Карнеги в Вашингтоне (округ Колумбия) и его коллеги выдвинули поразительное предположение, которое вызвало всплеск интереса к минералогии, и теперь, возможно, будущие поколения студентов будут по-новому смотреть на эту отрасль; оно также ставит минералы в основу концепции Земли как единого целого. Хейзен и его коллеги заявили, что минералы эволюционировали вместе с самой Землей.

Ведутся споры, правильно ли применять слово «эволюция» к минералам. Однако Хейзен и его сотрудники отметили, что в материале, образовавшем астероиды и планеты, насчитывается всего примерно шестьдесят различных минералов[68] (это известно по исследованиям метеоритов). На ранних стадиях развития Земли — с помощью таких процессов как плавление, вулканизм, метаморфизм, химическое разделение внутри планеты, а также образование океанической и континентальной коры — их число выросло примерно до 1500. Сегодня их насчитывается примерно 4300[69], и авторы считают, что основной причиной является эволюция жизни. Разнообразие минералов увеличивалось по мере того, как жизнь и планета эволюционировали вместе в течение геологического времени. Это новый и интересный подход к минералогии.

На первый взгляд может показаться удивительным, что жизнь и минералы так тесно связаны. В периодической таблице есть девяносто два различных элемента[70], и в принципе они могут объединяться, образуя практически бесконечное число сочетаний. Однако соединения, которые мы называем минералами, образуются при весьма специфических условиях: особенно важны температура, давление и концентрация различных химических элементов в окружающей среде. На ранних стадиях существования Земли материал, который накапливался на нашей планете, попадал в новые, весьма различные и сильно меняющиеся условия, взаимодействовал с атмосферными газами и водой на поверхности, попадал под воздействие разных температур и давлений внутри Земли. В результате количество видов минералов быстро увеличивалось.

Когда на Земле появилась жизнь, возник новый мощный механизм: биологически опосредованное формирование минералов. Организмы создают полезные минералы (например, зубы состоят из минерала апатита, который представляет собой фосфат кальция), однако не делают этого ни с того ни с сего. Самые первые известные биологически сформированные минералы встречаются в строматолитах (рисунок 10). При создании собственной структуры эти массовые колонии микроорганизмов улавливают уже существующие минеральные зерна, однако там также происходит осаждение нескольких минералов, что создает сложную мелкомасштабную слоистую структуру. Жизнь не только образует минералы непосредственно, но и влияет на их количество косвенно: как только фотосинтезирующие растения начали насыщать кислородом атмосферу и океаны, на поверхности Земли появилось множество новых минералов-оксидов. Увеличение числа минералов необратимо: мы уже никогда не сможем вернуться к тем шести десяткам (или около того), что существовали до образования планет.

Исследования в области минералогии имеют и практическую сторону (знаете ли вы, что при разработке наполнителей для кошачьих туалетов использовался минералогический опыт?), и «чисто исследовательские» аспекты, и это справедливо для большинства наук о Земле. Хотя многие ученые (и организации, которые поддерживают их изыскания) сосредоточены на практических вопросах, которые интересуют общество — вопросах первостепенной важности, для которых нужны знания специалистов по Земле, однако продолжает процветать и поиск знаний о нашей планете, ведомый исключительно любопытством. Значительная часть этой книги имеет дело именно с такими исследованиями — исследованиями, которые породили такие поистине революционные идеи, как тектоника плит или эволюция (я считаю, что Дарвин занимался наукой о Земле; эта тема его очаровывала, и окаменелости внесли свой вклад в его идеи). Но здесь я хотел бы обратиться к некоторым прикладным аспектам исследований, особенно тем, которые связаны с нынешними и будущими социальными проблемами.

В какой-то степени прикладной и чистый — термины хотя и полезные, но несколько произвольные, поскольку эти сферы часто переплетаются. Возьмите, к примеру, ядерное оружие — тему, которую вы, вероятно, не связываете с геонауками (за исключением того, что для поиска и добычи урана требуются геологи и инженеры, знающие геологию). Однако ключевая часть ядерных программ — испытания. Поскольку большинство стран хотят уменьшить, а в конечном итоге и устранить угрозу ядерного оружия, и в то же время часто с подозрением относятся к намерениям других стран, то на первый план выступает обнаружение и определение характеристик секретных ядерных испытаний. В значительной степени эта задача выпала на долю ученых, занимающихся геонауками: особенно активное участие принимали сейсмологи, но присоединились также геохимики, океанологи и специалисты по атмосфере.

Во время холодной войны начались международные переговоры о запрете испытаний ядерного оружия, и почти с самого начала в них участвовали ученые. Оба основных действующих лица этих переговоров, США и СССР, не хотели, чтобы по их территории перемещались группы специалистов, инспектирующих засекреченные объекты. При этом советские ученые утверждали, что могут легко идентифицировать ядерные взрывы даже на больших расстояниях, в то время как их американские коллеги настаивали, что существующих возможностей сейсмологии недостаточно для обнаружения даже довольно мощных взрывов — если только не размещать сейсмографы рядом с полигонами. Такие противоречивые заявления вызвали подозрения обеих сторон, что тут дело уже не в науке, а в политике. В результате в Соединенных Штатах появилась масштабная государственная программа, направленная на улучшение сейсмического обнаружения ядерных взрывов. Эта работа, начатая в 1960-е годы, во многих отношениях оказалась очень успешной. Поскольку сейсмологам предоставили свободу исследований, то эта программа не только усовершенствовала способы обнаружения ядерных испытаний, но и сыграла большую роль в развитии теории тектоники плит и улучшении понимания землетрясений и внутреннего строения Земли. Интересно, что первоначальное расхождение между советскими и американскими возможностями обнаружения оказалось не фикцией — обе стороны предоставили истинные данные. Несоответствие было вызвано тем, что сейсмические волны распространялись по-разному из-за разных геологических условий на советских и американских полигонах.

Хотя в основе методов обнаружения лежит сейсмология, используются и другие методы, основанные на геонауках. Гидрофоны, барографы, приборы для регистрации волн давления в океане и атмосфере могут улавливать сигналы от далеких взрывов — вне зависимости от того, исходят они от подводных вулканов, влетевших в атмосферу метеоритов или испытаний ядерного оружия. Кроме того, поскольку ядерные взрывы выделяют в окружающую среду характерные радиоактивные изотопы (это происходит, даже если проводить испытания под землей), то обнаружение даже очень малых количеств таких изотопов будет недвусмысленно свидетельствовать о проведенном ядерном взрыве. Таким образом, средства, разработанные геонауками для совершенно других целей, оказываются крайне важны для продвижения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, принятом Организацией Объединенных Наций в 1996 году. После его полного претворения в жизнь все ядерные испытания будут запрещены, а с помощью тех же самых геонаук (и координирования наблюдений через одно из подразделений ООН в Вене) можно будет гарантировать соблюдение этого запрета. Президент США Барак Обама пообещал двигаться к миру без ядерного оружия. Во многом благодаря сообществу ученых сейчас существует возможность проверить, когда такая цель будет достигнута.

Надеюсь, в один прекрасный день мы сможем вычеркнуть ядерное оружие из списка угроз будущему человечества. Однако даже если не обращать внимания на ранее обсуждавшиеся риски, которые могут потенциально уничтожить цивилизацию, например, супервулканы и удары крупных астероидов, поскольку вероятность таких событий в ближайшем будущем крайне мала, — существуют и другие проблемы. Далее я хочу затронуть некоторые такие проблемы, включенные в список, приведенный в начале этой главы.

Начнем с энергетики и минеральных ресурсов. В целом недра Земли дают нам полезные ископаемые и топливо и тем самым обеспечивают основную часть вещей, необходимых для функционирования современного общества. Количество этих ресурсов ограничено — фраза совершенно шаблонная, но от этого она не перестает быть истинной. В СМИ много обсуждают ситуацию с нефтью и газом, и, несмотря на то, что пик добычи нефти (момент, когда добыча достигнет максимума, а затем начнется необратимое снижение) продолжает отодвигаться в будущее из-за открытия новых месторождений и разработки новых технологий добычи, рано или поздно он все равно наступит. Есть разумные шансы, что к тому времени появятся возобновляемые источники энергии для удовлетворения потребностей общества. Но еще есть и менее широко обсуждаемая проблема: исчерпание минеральных ресурсов.

Все минералы, которые мы используем, берутся из земной коры — единственной легкодоступной для нас части планеты (в основном это континентальная кора). Однако 99 % массы коры приходится всего на 8 элементов из 92. В эту восьмерку входят алюминий и железо, которые, несомненно, крайне важны для современной цивилизации, однако большинство других важных элементов, от сурьмы до цинка, — это лишь крохотные доли от общего количества. Впрочем, даже крошечные доли в абсолютных числах выглядят весьма впечатляюще. В XIX — начале XX веков предприимчивые аферисты использовали эти знания, чтобы убедить людей в том, что можно разбогатеть, добывая золото из морской воды. В океанах действительно растворено огромное количество этого драгоценного металла: по современным оценкам, там его от 3 до 30 миллионов тонн, а это эквивалентно объемам золотодобычи на месторождениях за тысячу лет с лишним при современном уровне добычи. Однако беда в том, что слишком мала концентрация — а этот параметр является ключевым для определения рентабельности получения любого вещества. Одна тонна морской воды содержит всего несколько миллиардных долей грамма золота. Чтобы разбогатеть, придется обработать колоссальное количество воды. Излишне говорить, что инвесторы, вкладывавшиеся в эти программы, не вернули свои деньги.

Континентальная кора содержит в среднем гораздо больше золота, чем морская вода, но все же слишком мало, чтобы его было целесообразно извлекать из любой старой породы — иначе наш ландшафт усеивали бы золотые рудники. То же самое справедливо для всех минеральных ресурсов: чтобы добыча была рентабельной, должен существовать какой-то механизм их концентрации. К счастью для нас, за огромное геологическое время различные процессы отделяли химические элементы и распределяли минералы по месторождениям, и теперь добывать их стало экономически выгодно. Насколько мы знаем, такие процессы уникальны для Земли: геологический состав и история Луны и других планет земной группы делают маловероятной возможность обнаружить там такие же залежи, как на Земле.

Какие процессы выделяют редкие химические элементы из больших объемов вещества планеты и концентрируют их в определенных месторождениях? Они многочисленны и разнообразны, но во многих случаях важно наличие воды.

Вода — активный растворитель: в ней может содержаться множество различных элементов и соединений. В большинстве случаев чем выше температура и давление, тем больше растворенных веществ она может удерживать. Когда вода проходит по горячим частям земной коры, она вымывает из окружающих пород большие количества различных химических элементов и переносит их на большие расстояния. Способность этих так называемых гидротермальных растворов переносить растворенные металлы усиливается присутствием других элементов, которые образуют с металлами химические комплексы — например, хлора и серы. Сегодня растворы с таким составом бьют из горячих источников, расположенных вдоль океанических хребтов. Эти источники, известные как «черные курильщики», возникают в местах разделения плит — там, где магма поднимается вверх и создает новую океаническую кору. Морская вода просачивается в породы, нагревается до очень высоких температур и в итоге снова изливается горячей всплывающей струей. У некоторых черных курильщиков температура воды намного превосходит 300 градусов Цельсия (при этом сокрушительное давление океана не позволяет воде закипать даже при таких повышенных температурах). Но как только эти перегретые кристально прозрачные гидротермальные растворы смешиваются с холодной морской водой, они уже не могут удерживать растворенные металлы. Образуются мелкие черные частицы сульфидов этих элементов, что придает таким источникам вид заводских труб, извергающих черный дым. Выпадающие в виде осадков крошечные зерна, богатые медью, цинком, свинцом, никелем, железом и некоторыми другими металлами, создают на морском дне залежи высокосортной руды.

Черные курильщики были обнаружены случайно в 1979 году, когда геологи использовали подводный аппарат «Алвин» для изучения системы океанических хребтов, а с тех пор их находили в самых разных местах. Предпринимались попытки вести рядом с ними добычу, собирая мелкий рыхлый осадок, однако морская разработка полезных ископаемых — дело грязное, дорогое и вредное для окружающей среды, а во многих местах черные курильщики слишком разбросаны, чтобы разрабатывать их отложения было экономически целесообразно. Однако наблюдение за этим современным процессом образования руд стало своеобразным отражением принципа первых геологов: «Настоящее — ключ к прошлому»; теперь мы понимаем, как изначально формировались древние наземные месторождения, а это облегчает их разведку.

Конечно же, не все месторождения полезных ископаемых создаются черными курильщиками. Повысить концентрацию ценных веществ могут самые разные процессы: гравитация заставляет оседать тяжелые полезные минералы на дно резервуаров магмы, возникающих в земной коре; дождевые воды вымывают легко растворимые минералы, оставляя нерастворимые, но ценные; тепло в вулканически активных регионах (особенно над зонами субдукции) приводит к своеобразной дистилляции различных полезных элементов, которые откладываются слоями или жилами в окружающих более холодных породах.

Рудные тела, созданные такими процессами, случайно обнаруживались еще тысячи лет назад, но наблюдательные люди быстро поняли, что существуют заметные связи: определенные руды всегда встречаются вместе с определенными типами горных пород. Такие наблюдения облегчили поиск новых месторождений. Однако в некоторых случаях самые явные месторождения полезных ископаемых на Земле уже выработаны. Искать новые становится все труднее, и многие страны создали геологические службы, призванные нанести на карту имеющиеся минеральные и энергетические ресурсы и оценить их запасы. В странах, где полезных ископаемых много — США, России, Канаде, Австралии и некоторых других — у таких организаций есть исследовательские подразделения, тоже в основном сосредоточенные на ресурсах. Однако в двадцать первом веке поощрение разведки и помощь горнодобывающей промышленности — это палка о двух концах. С одной стороны, нам нужны редкие элементы, чтобы производить массу вещей — от авиационных двигателей до электрических лампочек; без них современное общество просто не сможет существовать. С другой стороны, нет никаких сомнений, что горнодобывающая промышленность в погоне за прибылью иногда эксплуатирует население и наносит ущерб окружающей среде. Без контроля такие проблемы могут в будущем усугубиться, поскольку количество полезных ископаемых в любом случае ограничено.

Есть ли у этой дилеммы решение? Возможно ли стабильное будущее, в котором потребности общества удовлетворяются без непоправимого ущерба для Земли и ее обитателей? Решения пока нет, но определенные обнадеживающие признаки присутствуют. Один из них таков: несмотря на быстрый рост потребления, мировые «запасы» многих полезных ископаемых за последние пятьдесят лет резко увеличились. Как это может быть? Запасы — просто существующие известные количества определенных ресурсов. Они увеличились, поскольку достижения геологоразведки обеспечивают более эффективный поиск месторождений, а также потому, что мы теперь лучше понимаем, как они образуются, и знаем, где их лучше всего искать. Эти запасы не включают еще не открытые месторождения, которые люди будут открывать и дальше, хотя, вероятно, все реже. Формальные оценки запасов также не учитывают то, что технический прогресс позволит более экономично извлекать минералы из горных пород, которые ранее считались слишком бедными для эксплуатации. Это неоднократно происходило в истории: даже «хвосты», то есть остатки от предыдущих работ, часто становились богатым источником с появлением новых методов добычи[71]. Свою роль в увеличении запасов сыграло компьютерное моделирование и визуализация: они позволили геологам создавать виртуальные расширения существующих рудников и прогнозировать расположение рудных зон далеко за пределами имеющихся выработок.

Однако в какой-то момент люди перестанут обнаруживать новые месторождения тех или иных ценных минералов. Можно ли в такой ситуации сохранять какие-то запасы в течение длительного времени? Одна из стратегий — заменить редкий элемент более распространенным. Хороший пример — использование алюминия вместо меди для передачи электроэнергии. Но для многих редких металлов ключевую роль в поддержании их запасов в будущем, видимо, будет играть их переработка и повторное использование. Стальной лом, медные провода и алюминиевые банки пускают в переплавку уже давно, поскольку они относительно чистые и легко перерабатываются. Однако система извлечения металлов из более сложных материалов (например, электроники) еще не очень развита. Впрочем, ситуация, вероятно, изменится при росте конкуренции за ресурсы. Несколько лет назад Геологическая служба США изучала потенциальные возможности извлечения металлов из старых мобильных телефонов. Эти повседневные предметы содержат золото, серебро, платину и другие ценные металлы; они могут стать своеобразной «рудой» будущего.

Когда я пишу эту книгу, в мире имеется не менее 4 миллиардов мобильных телефонов, и это число быстро растет. Одно исследование Геологической службы сосредотачивалось на Соединенных Штатах, где телефоны меняют в среднем раз в полтора года, и базировалось на данных 2005 года. Специалисты пришли к выводу, что стоимость металлов в телефонах, выброшенных в том году, составила 82 миллиона долларов. С тех пор телефоны стали меньше, но содержание металлов в них принципиально не изменилось. С 2005 года и золото, и серебро выросли в цене более, чем вдвое, существенно повысились и цены на другие металлы в этих аппаратах, что значительно увеличивает выгоды переработки. Некоторые данные в указанном отчете Геологической службы получены от канадской горнодобывающей компании Falconbridge, которая уже в 2005 году занималась извлечением металлов из утилизируемых сотовых телефонов.

Естественно, при переработке никогда не удастся добиться 100 % извлечения полезных веществ, и поэтому вполне возможно, что некоторые невозобновляемые ресурсы в конечном итоге станут чрезвычайно дефицитными. Но этот день расплаты, может быть, удастся отодвинуть очень далеко в будущее. Даже допускавшие злоупотребления добывающие компании, похоже, понимают, что в их интересах работать эффективно, минимизировать вредное воздействие на окружающую среду и даже восстанавливать выведенные из эксплуатации и загрязненные производственные территории. Например, один из плавильных заводов компании Falconbridge многие годы выбрасывал газ с высоким содержанием серы, который губил растительность и вредил здоровью людей, живших с подветренной стороны. Наконец компания предприняла какие-то меры: установила ловушки, стала превращать серу в серную кислоту, и теперь с прибылью ее продает. Не все технологические решения окажутся такими простыми и рентабельными. Однако, похоже, что при надлежащем подходе с использованием существующих и развивающихся технологий вполне реально на долгие годы удовлетворить потребности общества в минеральных ресурсах с вполне приемлемым уровнем разрушения окружающей среды.

Еще одна проблема, связанная с геонауками и все чаще привлекающая внимание людей — доступ к чистой воде. Некоторые ученые, некогда занимавшиеся запасами полезных ископаемых и энергии, переключились на этот ценный ресурс; его иногда называют «новым золотом». Доступность воды для орошения, производства электроэнергии и повседневного бытового использования уже давно стала проблемой в засушливых регионах, а в некоторых местах становится даже угрозой национальной безопасности. Например, в Ираке всю воду дают реки, которые берут истоки в других государствах, а потому в конечном итоге воду контролируют соседние страны.

Поскольку рост населения и экономическое процветание увеличивают потребность в воде, а изменения климата угрожают нарушить исторические схемы осадков и испарения, то доступность и качество воды сейчас быстро становятся глобальной проблемой.

Почти вся вода в мире находится в океанах, однако для большинства людей, если не считать сёрфингистов, моряков и рыбаков, важна именно пресная вода. Однако пресная вода поступает из океанов: ежегодно с их поверхности испаряется примерно 400 000 кубических километров воды, и вся она выпадает где-то в виде пресной воды: снег на ледниках Гренландии или на горнолыжных курортах Скалистых гор в США, дождь, орошающий наши лужайки или пополняющий наши реки и озера, или осадки, возвращающиеся в океан. С геологической точки зрения этот круговорот воды происходит за короткое время: молекула воды до испарения в атмосферу проводит в океане в среднем всего три тысячи лет, а всего через неделю она уже становится частью какой-нибудь капли дождя, падающей на поверхность.

В нынешний момент геологической истории большая часть (примерно две трети) пресной воды Земли сохраняется в виде льда в ледниках, причем почти весь лед находится в Антарктиде. Как мы видели в других главах книги, объем ледниковых льдов сильно колебался в течение геологического времени, и это сильно влияло на уровень моря. Но если современные ледники включают всего две трети всей пресной воды, то где еще треть? Вы можете достаточно разумно предположить, что она находится в озерах и реках, но это не так. Примерно 99 % остатка скрыто под землей. Подземные воды — очень ценный ресурс, потому что они обычно очень чисты, а также часто имеются даже в регионах с засушливой поверхностью. В принципе это возобновляемый ресурс, однако стабильным он будет только в том случае, если не забирать воды больше, чем добавляется в эту систему.

Под Высокими равнинами, регионом в центральной части Соединенных Штатов, находится огромный резервуар пресной воды, и это делает регион одним из основных сельскохозяйственных районов страны. Рельеф, почва и климат Высоких равнин идеально подходят для земледелия и выпаса скота, однако здесь редко выпадают осадки, и именно их отсутствие было в прошлом серьезным препятствием для сельского хозяйства. Первые скважины до водоносного горизонта пробурили еще в начале XX века, однако масштабная откачка воды для орошения началась в 1940-х и 1950-х годах. Поначалу казалось, что запасы воды неисчерпаемы, однако по мере изъятия уровень падал, скважины приходилось углублять, а в некоторых местах воды для орошения уже не хватает. Ясно, что пополнение запасов не поспевает за водозабором.

Геологическая служба США назвала шестьдесят два главных подземных резервуара важными национальными ресурсами, и водоносный слой Высоких равнин — в их числе. Заманчиво считать водоносные слои подземными реками, но на деле все иначе. Часть из них — это формации твердых пород, другие состоят из рыхлого песка и гравия, еще не уплотнившихся в твердую породу. Все они водопроницаемы: в них есть пустые пространства, по которым может течь вода — примерно так, как она проходит через губку: медленно и извилистыми путями. В отсутствие вмешательства человека вода просачивается в землю на высоких уровнях (область питания грунтовых вод), проходит вниз через водоносный слой и выходит наружу родниками или сочится на более низких уровнях. Сила, которая заставляет воду двигаться — гравитация.

Водоносный слой под Высокими равнинами состоит в основном из рыхлого песка и гравия, вымытых миллионы лет назад из Скалистых гор и осевших к востоку от них, где этот материал заполнил прорезанные реками долины и распространился в виде пологих слоев, которые сейчас захоронены глубоко под землей. Исследования Геологической службы США показали, что «возраст» воды в этом водоносном слое, то есть время, которое она провела под землей, составляет свыше 10 000 лет для самых глубоких частей системы. Эта древняя вода возникла в результате таяния ледников Скалистых гор в конце последней ледниковой эпохи плейстоценового ледникового периода, и она, очевидно, очень медленно перемещалась сквозь водоносный слой. Ее возраст показывает, что скорость подпитки очень низка (по крайней мере, для этой части водоносного слоя).

Важнейшая задача ученых, занимающихся подземными водами, — точно измерить скорость подпитки, чтобы знать допустимые темпы водозабора. Это непростая задача, потому что область, питающая какой-нибудь водоносный слой, может оказаться очень большой, охватывать различные виды рельефа и улавливать разное количество осадков. На простейшем уровне приблизительную оценку баланса между поступлением воды в водоносный слой и ее забором оттуда можно получить, отслеживая уровень жидкости в скважинах; однако в настоящее время используются количественные подходы, включающие компьютерные модели всей системы водоносного горизонта, а также стратегии сохранения избыточных поверхностных вод в природных водоносных слоях — им не дают испаряться или стекать. Большинство из нас воспринимает утренний душ как должное, однако во многих местах это возможно только потому, что специалисты выяснили информацию о залегающих водоносных слоях и областях их подпитки и разработали эффективные планы обеспечения стабильности потока воды из наших водопроводных кранов.

Однако эти стратегии, возможно, придется пересмотреть из-за изменений климата. По мере того как Земля нагревается, повышается скорость испарения, что, в свою очередь, увеличивает количество осадков. По сути, весь цикл ускоряется, и через атмосферу проходит больше воды. Это, видимо, увеличит частоту и бурь, и засух, а также труднопредсказуемым образом изменит характер выпадения осадков по всему земному шару.

Глобальное потепление повлияет также и на круговорот воды — может быть, не так заметно, но для человечества это окажется не менее важно. Во многих частях мира основным источником пресной воды, будь то грунтовые воды или поверхностные потоки, являются ледники. Особенно важны ледники в Гималаях и Андах: они обеспечивают водой сотни миллионов людей. Однако размер этих хранилищ пресной воды быстро сокращается, и многие в конечном итоге полностью исчезнут из-за потепления климата.

В краткосрочной перспективе быстрое таяние ледников приводит к поступлению пресной воды в подземные водоносные слои и поверхностные потоки, что дает ложное ощущение их долговременного потенциала — причем не только для водоснабжения, но и для строительства гидроэлектростанций. Однако в долгосрочной перспективе (а в случае некоторых гималайских ледников этот более длительный срок будет измеряться десятилетиями, максимум несколькими сотнями лет) исчезновение ледников приведет к серьезным последствиям. На волоске висит снабжение водой значительной части населения Индии, Пакистана, Китая и стран Юго-Восточной Азии. Возникают важные вопросы, которые еще только придется решать международному праву. Кому «принадлежит» вода ледника, который расположен в Тибете, но питает реки, текущие в Индию и далее в Бангладеш? А что насчет водоносных слоев, которые пересекают границы стран? С такими вопросами трудно разобраться даже самым добрым соседям, а уж в регионах старинной вражды они могут разжечь конфликт. Но безотносительно к юридическим вопросам и национальным границам перед учеными стоит срочная задача — собрать информацию о круговороте воды для разных регионов и его изменении при потеплении климата. Это нужно для обеспечения надежного доступа к водным ресурсам для растущего населения мира.

Наконец, давайте обратимся к тому вопросу, который, похоже, волнует всех: изменения климата. Без сомнения, это один из центральных вопросов (возможно, самый главный) для современных специалистов в геонауках, да и вообще для всех жителей нашей планеты. Близким вопросом, которому уделяют намного меньше внимания, является повышение кислотности воды в океанах; как мы видели в главе 9 при обсуждении Великого потепления 55 миллионов лет назад, его тоже вызвало повышение уровня углекислого газа в атмосфере.

Поскольку я изучаю Землю, меня часто спрашивают, «верю» ли я в глобальное потепление, и действительно ли деятельность человека меняет климат планеты. Иногда это приводит к долгим изнурительным спорам. Сам по себе скептицизм — это нормально: когда люди ставят под сомнения какие-то предположения, обе стороны в дискуссии чему-то учатся. Однако существуют и те, кто искажает факты или отказывается признать истинность хорошо документированных наблюдений. Когда дело касается таких тем, как потепление климата или эволюция, в этой второй категории, похоже, оказывается весьма много людей.

В вопросе влияния человечества на климат есть несколько неоспоримых фактов. Прежде всего, углекислый газ в атмосфере улавливает тепло, которое в противном случае излучалось бы в космос. Этот принцип физической химии впервые описал английский физик Джон Тиндаль в середине XIX века[72]. Второй неоспоримый факт — деятельность человека резко увеличила количество углекислого газа (и других парниковых газов) в атмосфере. То, что при сжигании угля в атмосферу выделяется углекислый газ, впервые понял в 1895 году шведский химик Сванте Аррениус, будущий лауреат Нобелевской премии по химии. Аррениус подсчитал, что двух- или трехкратное увеличение количества двуокиси углерода в атмосфере вызовет значительное повышение температуры в северных регионах — возможно, на целых 8 градусов Цельсия. Ученый решил, что это всерьез подогреет Стокгольм, но затем вычислил, что при текущей скорости сжигания угля для этого понадобится несколько тысяч лет, так что последствий он не увидит. Однако Аррениус не мог предположить, сколько угля, нефти и газа будут сжигать люди в XX и XXI веках. За последние несколько веков из-за деятельности человека содержание диоксида углерода в атмосфере увеличилось на треть с лишним; наши действия нарушили природные процессы, которые поддерживали равновесие тысячи лет до этого. Наконец, третий неоспоримый факт: когда ученые расшифровывали информацию из горных пород, океанических отложений и ледяных кернов, они узнали, что в прошлые эпохи высокий уровень углекислого газа соответствовал теплым периодам, а низкий совпадал с холодными. Даже если оставить в стороне сложности климатической системы, вопросы положительной и отрицательной обратной связи, неопределенность при моделировании будущего климата, эти три факта дают нам основания очень серьезно отнестись к общему мнению климатологов, что парниковые газы от человеческой деятельности резко поднимают глобальную температуру и что в обозримом будущем эта тенденция продолжится.

Роль ученых сейчас заключается в отслеживании, анализе и моделировании климатической системы (в прошлом и в настоящем), а также в прогнозировании возможных последствий тех или иных действий, которые может предпринять наше общество, столкнувшись с ростом концентрации парниковых газов. Прогнозирование — важная часть этой работы, однако все прогнозы — от оценки общемировой температуры через столетие до предсказания победителя Супербоула[73] в следующем году — страдают неопределенностью. Ключом к точному прогнозированию является снижение неопределенности до минимально возможного уровня. В случае климата это означает, что модели должны включать все известные факторы, влияющие на климат, от альбедо поверхности до облачности и циркуляции океанов; что в модели необходимо встраивать высокое временное и географическое разрешение, чтобы можно было следить за короткими интервалами времени и небольшими участками территории; что необходимо хорошо понимать причины и природу прошлых изменений климата. К счастью, во всех этих областях за последние годы достигнут большой прогресс, чему способствовала доступность вычислительных мощностей. Несмотря на критику, которая появляется в СМИ, точность климатических моделей быстро совершенствуется, а доверие к их предсказаниям растет. Трудность состоит в необходимости убедить политиков и население в том, что последствия прогнозируемого повышения температуры требуют, чтобы мы начали действовать уже сегодня, и проблема усугубляется общемировыми масштабами этого явления.

Повышение кислотности океанов предсказать гораздо легче, чем изменения климата, потому что этот процесс прост: из-за увеличения содержания углекислого газа в атмосфере всё большее его количество растворяется в морской воде, и она становится более кислой. Растворимость газа хорошо известна, и поэтому довольно просто вычислить, какой будет кислотность при определенной концентрации газа в атмосфере. Проблема — не для ученых, а для океана — состоит в том, что нынешний рост двуокиси углерода не имеет прецедентов. Те природные процессы отрицательной обратной связи, которые уменьшают количество углекислого газа в атмосфере (например, усиление выветривания континентальных горных пород или нейтрализация кислотности океана посредством растворения осадочного карбоната кальция) работают во временных масштабах, которые гораздо больше, чем те несколько столетий, когда люди будут добавлять огромное количество диоксида углерода в систему океан-атмосфера (мы каждый час добавляем в атмосферу больше миллиона тонн этого вещества). По сравнению с этим интервалом океаны перемешиваются медленно, а это означает, что в краткосрочной перспективе повышение кислотности затронет в основном поверхностные воды, находящиеся в прямом контакте с атмосферой (океанологи обнаружили измеримое повышение кислотности поверхностных вод только в последние два десятилетия; со времен начала промышленной революции повышение составило 30 %). Потребуются тысячи лет, чтобы эти воды прошли через весь океан.

Возможно, из-за того, что в центре внимания вечно оказывалось глобальное потепление из-за увеличения количества парниковых газов, повышение кислотности океана до последнего времени оставалось в тени, и исследования последствий такого процесса находятся на начальной стадии. Однако существуют национальные и международные программы по изучению этого явления, и эта тема, несомненно, будет все чаще и чаще привлекать к себе внимание. То, что известно на сегодняшний день, не обнадеживает. Например, лабораторные исследования показывают, что с повышением кислотности воды замедляется размножение некоторых морских обитателей — в частности, это касается таких важных промысловых видов, как устрицы. Этот процесс негативно повлияет на большинство морских организмов, которые строят раковины и скелет из карбоната кальция: у них будет меньше возможностей создавать себе прочные опорные и защитные конструкции. Здесь важнейшими организмами являются кораллы. Коралловые рифы обеспечивают защиту от волн и штормовых нагонов, а также являются важными экосистемами для множества морских обитателей, включая ценных промысловых рыб[74].

Узнавать такие факты неприятно, и мне бы не хотелось заканчивать книгу на этой пессимистической ноте. Проблемы вроде глобального потепления и повышения кислотности океанов могут иногда показаться настолько серьезными и безразличными к действиям отдельных людей, что возникает соблазн просто сдаться и игнорировать их. Однако признание проблемы — первый шаг к ее решению, и общественное мнение здесь имеет значение. Я думаю, что об этом свидетельствуют действия правительств и организаций по всему миру: несмотря на интересы корпораций и экономическое давление, они сейчас делают первые шаги, направленные на поддержание более стабильной среды на поверхности планеты. Некоторые из этих шагов были немыслимы всего 25–30 лет назад. Прогресс иногда кажется мучительно медленным, но он все же есть. Если антропоцен — это эпоха, когда люди стали геологической силой, то он может также стать временем, когда люди используют свои знания, чтобы исправить хотя бы часть негативных последствий своей деятельности. А для этого нужно всесторонне понимать, как наша планета функционирует сейчас, и как она развивалась на протяжении своей долгой истории. Это должно быть ясно всем, и именно поэтому геонауки действительно нужны и важны.

Библиография и рекомендуемая литература

Предисловие к русскому изданию

D. I. Benn et al. Orbitally forced ice sheet fluctuations during the Marinoan Snowball Earth glaciation. Nature Geoscience 8 (2015): 704–707.

M. Brown, T. Johnson and N. T. Gardiner. Plate tectonics and the Archean Earth, Ann. Rev. Earth Planet. Sci 48 (2020): 291–320.

S. D. Burgess, J. D. Muirhead and S. A. Bowring. Initial pulse of Siberian Traps sills as the trigger of the end-Permian mass extinction. Nature Communications 8 (2018):164. DOI: 10.1038/ S41467-017–00083-9.

M. E. Clapham and P. R. Renne. Flood basalts and mass extinctions. Aww. Rev. Earth Planet. Sci. 47 (2019): 275–303.

P. W. Crockford et al. Linking continents through triple oxygen isotope anomalies. Geology 46 (2018): 179–182.

S. P. S. Gulick et al. The first day of the Cenozoic. PNAS 116 (2019) 19342-19351).

S. MacLennan et al. The arc of the Snowball: U-Pb dates constrain the Islay anomaly and the initiation of the Sturtian glaciation. Geology 46 (2018): 539–542.

R. M. Palin et al. Secular change and the onset of plate tectonics on Earth. Earth-Sci. Rev. 207 (2020): 103172.

A. D. Rooney et al. A Cryogenian chronology: two long-lasting synchronous Neoproterozoic glaciations. Geology 43 (2015): 459–462.

He Sun et al. Rapid enhancement of chemical weathering recorded by extremely light seawater lithium isotopes at the Permian-Triassic boundary. PNAS 115 (2018): 3782–3787.

Глава 1

Bowring, S., D. Н. Irwin, Y. G. Lin, М. W. Martin, К. Davidek, and W. Wang. 1998. U/Pb Zircon Chronology and Tempo of the End-Permian Mass Extinction. Science 280:1039–45.

Cutler, Alan. 2003. The Seashell on the Mountaintop: A Story of Science, Sainthood, and the Humble Genius Who Discovered a New History of the Earth. New York: Dutton.

Gradstein, Felix M., James G. Ogg, and Alan G. Smith, eds. 2005. A Geologic Time Scale 2004. Cambridge: Cambridge University Press. [Варианты геохронологической шкалы из этой книги можно найти в интернете, включая Википедию].

Lyell, Charles. 1830–33. Principles of Geology, Being an Attempt to Explain the Former Changes of the Earth's Surface, by Reference to Causes Now in Operation. 3 vols. London: John Murray. [Доступно по адресу: http://darwin-online.org.uk].

Macdougall, Doug. 2008. Nature’s Clocks: How Scientists Measure the Age of Almost Everything. Berkeley: University of California Press.

Repcheck, Jack. 2003. The Man Who Found Time: James Hutton and the Discovery of the Earth’s Antiquity. Cambridge, MA: Perseus.

Urey, H. С., H. A. Lowenstam, S. Epstein, and C. R. McKinney. 1951. Measurement of Paleotemperatures and Temperatures of the Upper Cretaceous of England, Denmark, and the Southeastern United States. Bulletin of the Geological Society of America 62:399–416.

Winchester, Simon. 2001. The Map that Changed the World: William Smith and the Birth of Modem Geology. New York: HarperCollins.

Глава 2

Cassidy, William A. 2003. Meteorites, Ice and Antarctica: A Personal Account. New York: Cambridge University Press.

Davis, Andrew M., ed. 2006. Meteorites, Comets, and Planets: Treatise on Geochemistry, Vol. 1. Oxford: Elsevier.

Hartmann, W. K., and D. R. Davis. 1975. Satellite-Sized Planetesimals and Lunar Origin. Icarus 24:504–15.

Huntington, Patricia A. M. 2002. Robert E. Peary and the Cape York Meteorites. Polar Geography 26:53–65.

Warren, P. H. 1985. The Magma Ocean Concept and Lunar Evolution. Annual Review of Earth and Planetary Science 13:201–40.

Глава 3

Alvarez, L. W., W. Alvarez, Е. Asaro, and Н. V. Michel. 1980. Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction. Science 208:1095–1108.

Bottke, W. E, D. Vokrouhlicky, and D. Nesvorny. 2007. An Asteroid Breakup 160 Myr Ago as the Probable Source of the K/T Impactor. Nature 449:48–53.

Buffetaut, Eric, and Christian Koeberl, eds. 2002. Geological and Biological Effects of Impact Events. Berlin: Springer.

Chapman, C. R. 2004. The Hazard of Near-Earth Asteroid Impacts on Earth. Earth and Planetary Science Letters 222:1–15.

Engledew, John. 2010. The Tungus Event, or: The Great Siberian Meteorite. New York: Algora.

Hayabusa at Asteroid Itokawa. 2006. Special issue, Science 312:1327–53.

Hildebrand, A. R., G. T. Penfield, D. A. Kring, M. Pilkington, A. Camargo Z., S. B. Jacobsen, and W. V. Boynton. 1991. Chicxulub Crater: A Possible Cretaceous/Tertiary Boundary Impact Crater on the Yucatan Peninsula, Mexico. Geology 19:867–71.

Hoyt, William Graves. 1987. Coon Mountain Controversies: Meteor Crater and the Development of Impact Theory. Tucson: University of Arizona Press.

Kring, D. A. 2007. The Chicxulub Impact Event and Its Environmental Consequences at the Cretaceous-Tertiary Boundary. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 255:4–21.

NASA. 2002. Hitchhiker’s Guide to an Asteroid. NASA Science News, April 5, http://science.nasa.gov/science-news/sci-ence-at-nasa/2002/05apr_hitchhiker/.

NASA Near Earth Object Program Web site, http://neo.jpl.nasa.gov/neo/.

National Research Council. 2010. Defending Planet Earth: Near-Earth Object Survey and Hazard Mitigation Strategies: Final Report. Washington, DC: National Academies Press. [Доступно по адресу: www.nap.edu].

Nesvorny, D., D. Vokrouhlicky, W. F. Bottke, B. Gladman, and T. Haggstrom. 2007. Express Delivery of Fossil Meteorites from the Inner Asteroid Belt to Sweden. Icarus 188:400–413.

Pilkington, M., A. R. Hildebrand, and C. Ortiz-Aleman. 1994. Gravity and Magnetic Field Modeling and Structure of the Chicxulub Crater, Mexico. Journal of Geophysical Research 99:13 147-62.

Schmitz, В., М. Tassinari, and В. Peucker-Ehrenbrink. 2001. A Rain of Ordinary Chondritic Meteorites in the Early Ordovician. Earth and Planetary Science Letters 194:1–15.

Schulte, P., L. Alegret, I. Arenillas, J. A. Arz, P. J. Barton, P. R. Brown, T. J. Bralower, et al. 2010. The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary. Science 327:214–18.

University of New Brunswick Earth Impact Database Web site. www.unb.ca/passc/ImpactDatabase/.

Глава 4

Allwood, A. С., M. R. Walter, B. S. Kamber, С. P. Marshall, and I. W. Burch. 2006. Stromatolite Reef from the Early Archaean Era of Australia. Nature 441:714–18.

Canfield, D. E. 2005. The Early History of Atmospheric Oxygen. Annual Reviews of Earth and Planetary Science 33:1–36.

Farquhar, J., and B. A. Wing. 2003. Multiple Sulfur Isotopes and the Evolution of the Atmosphere. Earth and Planetary Science Letters 213:1–13.

Haqq-Misra, J. D., S. D. Domagal-Goldman, P. J. Kasting, and J. F. Kasting. 2008. A Revised, Hazy Methane Greenhouse for the Archean Earth. Astrobiology 8:1127–37.

Nemchin, A., N. Timms, R. Pidgeon, T. Geisler, S. Reddy, and C. Meyer. 2009. Timing of Crystallization of the Lunar Magma Ocean Constrained by the Oldest Zircon. Nature Geoscience 2:133–36.

O’Neil, J., R. W. Carlson, D. Francis, and R. K. Stevenson. 2008. Neodymium-142 Evidence for Hadean Mafic Crust. Science 321:1828–31.

Sagan, C., and G. Mullen. 1972. Earth and Mars: Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures. Science 177:52–56.

Wilde, S. A., J. W. Valley, W. H. Peck, and С. M. Graham. 2001. Evidence from Detrital Zircons for the Existence of Continental Crust and Oceans on the Earth 4.4 Gyr Ago. Nature 409:175–78.

Глава 5

Burke, К. C., and J. T. Wilson. 1976. Hot Spots on the Earth’s Surface. Scientific American 235:46–57.

Chen, C., S. Rondenay, R. L. Evans, and D. B. Snyder. 2009. Geophysical Detection of Relict Metasomatism from an Archean (~3.5 Ga) Subduction Zone. Science 326:1089–91.

Сох, Alan, and Robert Brian Hart. 1991. Plate Tectonics: How It Works. Hoboken, NJ: Wiley-Blackwell.

McPhee, John. 1998. Annals of the Former World. New York: Farrar, Straus and Giroux.

Oreskes, Naomi, ed. 2003. Plate Tectonics: An Insider’s History of the Modern Theory of the Earth. Boulder, CO: Westview Press.

Vine, F. J., and D. H. Matthews. 1963. Magnetic Anomalies over Ocean Ridges. Nature 199:947–49.

Глава 6

Atwater, B. F., M. Satoko, S. Kenji, T. Yoshinobu, U. Kazue, and D. K. Yamaguchi. 2005. The Orphan Tsunami of 1700: Japanese Clues to a Parent Earthquake in North America. U. S. Geological Survey Professional Paper 1707. Reston, VA: U. S. Geological Survey, in association with University of Washington Press. [Доступно по адресу: http://pubs.usgs.gov/pp/ppl707/].

Bell, J. W, J. N. Brune, L. Tanzhuo, M. Zreda, and J. C. Yount. 1998. Dating Precariously Balanced Rocks in Seismically Active Parts of California and Nevada. Geology 26:495–98.

Brune, J. N. 1996. Precariously Balanced Rocks and Ground-Motion Maps for Southern California. Seismological Society of America Bulletin 86:43–54.

Burchfiel, В. C., L. H. Royden, R. D. van der Hilst, В. H. Hager, Z. Chen, R. W. King, C. Li, J. Lu, H. Yao, and E. Kirby. 2008. A Geological and Geophysical Context for the Wenchuan Earthquake of 12 May 2008, Sichuan, People’s Republic of China. GSA Today 18:4–11.

Johnston, A. C., and E. S. Schweig. 1996. The Enigma of the New Madrid Earthquakes of 1811–1812. Annual Reviews of Earth and Planetary Science 24:339–84.

U. S. Geological Survey Earthquakes Web site. http://earth-quake.usgs.gov/earthquakes/.

Van Arsdale, R. B., and R. T. Cox. 2007. The Mississippi’s Curious Origins. Scientific American 296 (1):76–82B.

Witze, A. 2009. The Sleeping Dragon. Nature 459:153–57.

Глава 7

Campbell, I. H., and С. M. Allen. 2008. Formation of Supercontinents Linked to Increases in Atmospheric Oxygen. Nature Geosciences 1:554–58.

Canfield, D. Е., S. W. Poulton, and G. М. Narbonne. 2007. Late-Neoproterozoic Deep-Ocean Oxygenation and the Rise of Animal Life. Science 315:92–95.

Hoffman, P. E, A. J. Kaufman, G. P. Halverson, and D. P. Schrag. 1998. A Neoproterozoic Snowball Earth. Science 281:1342–46.

Kirschvink, J. L. 1992. Proterozoic Low-Latitude Global Glaciation: The Snowball Earth. In The Proterozoic Biosphere, ed. J. William Schopf and Cornelis Klein, 51–52. Cambridge: Cambridge University Press.

Kump, L. R. 2008. The Rise of Atmospheric Oxygen. Nature 451:277–78.

Narbonne, G. M., and J. G. Gehling. 2003. Life after Snowball: The Oldest Complex Ediacaran Fossils. Geology 31:27–30.

Reddy, S. M., R. Mazumder, D. A. D. Evans, and A. S. Collins, eds. 2009. Palaeoproterozoic Supercontinents and Global Evolution. Geological Society Special Publication 322. London: Geological Society.

Rogers, J. J. W, and M. Santosh. 2003. Supercontinents in Earth History. Gondwana Research 6:357–68. ______. 2009. Tectonics and Surface Effects of the Supercontinent Columbia. Gondwana Research 15:373–80.

Torsvik, T. H. 2003. The Rodinia Jigsaw Puzzle. Science 300:1379–81.

Walker, Gabrielle. 2003. Snowball Earth: The Story of the Great Global Catastrophe that Spawned Life as We Know It. New York: Crown Publishers.

Zimmer, C. 2009. On the Origin of Eukaryotes. Science 325:666–68.

Глава 8

Alley, Richard B. 2000. The Two-Mile Time Machine: Ice Cores, Abrupt Climate Change, and Our Future. Princeton: Princeton University Press.

Andersen, К. K., N. Azuma, J.-M. Barnola, M. Bigler, P. Biscaye, N. Caillon, J. Chappellaz, et al. 2004. High-Resolution Record of Northern Hemisphere Climate Extending into the Last Interglacial Period. Nature 431:147–51.

Cox, P., and C. Jones. 2008. Illuminating the Modern Dance of Climate and CO_2. Science 321:1642–43.

Dansgaard, W. 2000. Frozen Annals: Greenland Ice Sheet Research. Copenhagen: Niels Bohr Institute, University of Copenhagen. [Доступно по адресу: www.iceandclimate.nbi.ku.dk/publications/frozenannals/].

Huybers, В. 2009. Antarctica’s Orbital Beat. Science 325:1085–86.

Jansen, E., J. Overpeck, K. R. Briffa, J.-C. Duplessy, F. Joos, V. Masson-Delmotte, D. Olgao, et al. 2007. Palaeoclimate. In Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, ed. S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, К. B. Averyt, M. Tignor, and H. L. Miller. Cambridge: Cambridge University Press. [Доступно по адресу: www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_and_data_reports.htm#2].

Jouzel, J., et al. 2007. Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years. Science 317:793–96.

Langway, С. C., Jr. 2008. The History of Early Polar Ice Cores. ERDC/CRREL TR-08–1. Hanover, NH: U. S. Army Corps of Engineers, Engineer Research and Development Center. [Доступно по адресу: www.crrel.usace.army.mil/library/technicalpublications.xhtml].

Lurie, Edward. 1960. Louis Agassiz: A Life in Science. Chicago: University of Chicago Press.

Macdougall, Doug. 2004. Frozen Earth: The Once and Future Story of Ice Ages. Berkeley: University of California Press.

Muller, Richard A., and MacDonald, Gordon J. 2000. Ice Ages and Astronomical Causes. Chichester: Springer-Praxis.

Murton, J. В., M. D. Bateman, S. R. Dallimore, J. T. Teller, and Z. Yang. 2010. Identification of Younger Dryas Outburst Flood Path from Lake Agassiz to the Arctic Ocean. Nature 464:740–43.

Petit, J. R., J. Jouzel, D. Raynaud, N. I. Barkov, J. M. Barnola, I. Basile, M. Bender, et al. 1999. Climate and Atmospheric History of the Past 420,000 Years from the Vostok Ice Core, Antarctica. Nature 339:429–36.

Raymo, M. E., and В. Huybers. 2008. Unlocking the Mysteries of the Ice Ages. Nature 451:284–85.

Глава 9

Beerling, D. J. 2009. Enigmatic Earth. Nature Geoscience 2:537–38.

Kennett, J. E, and L. D. Stott. 1991. Abrupt Deep-Sea Warming, Palaeoceanographic Changes and Benthic Extinctions at the End of the Palaeocene. Nature 353:225–29.

Nisbet, Е. G., S. М. Jones, J. Maclennan, G. Eagles, J. Moed, N. Warwick, S. Bekki, P. Braesicke, J. A. Pyle, and С. M. R. Fowler. 2009. Kick-starting Ancient Warming. Nature Geoscience 2:156–58.

Nunes, F., and R. D. Norris. 2006. Abrupt Reversal in Ocean Overturning during the Palaeocene/Eocene Warm Period. Nature 439:60–63.

Wing, S. L., G. J. Harrington, F. A. Smith, J. I. Bloch, D. M. Boyer, and К. H. Freeman. 2005. Transient Floral Change and Rapid Global Warming at the Paleocene-Eocene Boundary. Science 310:993–96.

Zachos, J. C., U. Rohl, S. A. Schellenberg, A. Sluijs, D. A. Hodell, D. C. Kelly, E. Thomas, et al. 2005. Rapid Acidification of the Ocean during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum. Science 308:1611–15.

Zeebe, R. E., J. C. Zachos, and G. R. Dickens. 2009. Carbon Dioxide Forcing Alone Insufficient to Explain Palaeocene-Eocene Thermal Maximum Warming. Nature Geoscience 2:576–80.

Глава 10

Bralower, T. J. 2008. Volcanic Cause of Catastrophe. Nature 454:285–87.

Hallam, Tony. 2005. Catastrophes and Lesser Calamities: The Causes of Mass Extinctions. Oxford: Oxford University Press.

Kump, L. R., A. Pavlov, and M. A. Arthur. 2005. Massive Release of Hydrogen Sulfide to the Surface Ocean and Atmosphere during Intervals of Oceanic Anoxia. Geology 33:397–400.

Mahoney, John J., and Millard F. Coffin, eds. 1997. Large Igneous Provinces: Continental, Oceanic, and Planetary Flood Volcanism. Washington, DC: American Geophysical Union.

Turgeon, S. C., and R. A. Creaser. 2008. Cretaceous Oceanic Anoxic Event 2 Triggered by a Massive Magmatic Episode. Nature 454:323–25.

Visscher, H., С. V. Looy, M. E. Collinson, H. Brinkhuis, J. H. A. van Konijnenburgvan Cittert, W. M. Kiirschner, and M. A. Sephton. 2004. Environmental Mutagenesis during the End-Permian Ecological Crisis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 101:12952-56. [Доступно по адресу: www.pnas.org].

Ward, P. D. 2006. Impact from the Deep. Scientific American 295 (4):64–71.

Глава 11

Ambrose, S. Н. 1998. Late Pleistocene Human Population Bottlenecks, Volcanic Winter, and Differentiation of Modern Humans. Journal of Human Evolution 34:623–51.

Ashfall Fossil Beds State Historical Park Web site. www.ashfall.unl.edu/.

Bindeman, I. N. 2006. The Secrets of Supervolcanoes. Scientific American 294 (6):36–43.

Mason, B. G., D. M. Pyle, and C. Oppenheimer. 2004. The Size and Frequency of the Largest Explosive Eruptions on Earth. Bulletin of Volcanology 66:735–48.

Sparks, S., S. Self, et al. 2005. Super-eruptions: Global Effects and Future Threats. Report of a Geological Society of London Working Group. [Доступно по адресу: www.geolsoc.org.uk/supereruptions].

Stommel, Henry, and Elizabeth Stommel. 1983. Volcano Weather: The Story of 1816, the Year without a Summer. Newport, RI: Seven Seas Press.

U. S. Geological Survey Mount Pinatubo resources page. http://vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/Philippines/Pinatubo/framework.html.

U. S. Geological Survey Volcanic Hazards Program Web site. http://volcanoes.usgs.gov/.

U. S. Geological Survey Yellowstone Volcano Observatory Web site, http://volcanoes.usgs.gov/yvo/.

Wark, D. A., and C. F. Miller, eds. 2008. Supervolcanoes. Special issue, Elements 4:11–48.

Глава 12

Ahlberg, P. E., and J. A. Clack. 2006. A Firm Step from Water to Land. Nature 440:747–48.

Bambach, R. K. 2006. Phanerozoic Biodiversity Mass Extinctions. Annual Review of Earth and Planetary Science 34:127–35.

Clack, Jennifer A. 2002. Gaining Ground: The Origin and Early Evolution of Tetrapods. Bloomington: Indiana University Press. ____. 2005. Getting a Leg Up on Land. Scientific American 293 (6): 100–107.

Engel, M. S., and D. A. Grimaldi. 2004. New Light Shed on the Oldest Insect. Nature 427:627–30.

Gould, Stephen Jay. 1989. Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History. New York: W. W. Norton.

Jackson, J. B. C. 2008. Ecological Extinction and Evolution in the Brave New Ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105:11458-65. [Доступно по адресу: www.pnas.org].

Kenrick, E. 2003. Fishing for the First Plants. Nature 425:248–49.

Ward, Peter Douglas. 2007. Under a Green Sky: Global Warming, the Mass Extinctions of the Past, and What They Can Tell Us about Our Future. New York: Smithsonian Books/Collins.

Wyss, A. 2001. Digging Up Fresh Clues about the Origin of Mammals. Science 292:1496–97.

Глава 13

Hazen, R. M., D. Papineau, W. Bleeker, R. T. Downs, J. M. Ferry, T. J. McCoy, D. A. Sverjensky, and H. Yang. 2008. Mineral Evolution. American Mineralogist 93:1693–1720.

Inman, M. 2009. A Sensitive Subject. Nature Reports Climate Change, April 30. www.nature.eom/climate/2009/0905/full/climate.2009.41.html.

NSF Advisory Committee for Geosciences. 2009. GEO Vision: Unraveling Earth's Complexities drrough the Geosciences. [Доступно по адресу: www.nsf.gov/geo/acgeo/geovision/start.jsp].

Rockstrom, J., W. Steffen, K. Noone, A. Persson, F. S. Chapin III, E. F. Lambin, T. M. Lentin, et al. 2009. A Safe Operating Space for Humanity. Nature 461:472–75.

U. S. Geological Survey Mineral Resources Program Web site. http://minerals.usgs.gov/.

U. S. Geological Survey Water Resources of the United Web site, http://water.usgs.gov/.

Указатель

Термины, набранные курсивом, относятся к иллюстрациям.

Агассис, Луи 226

Адемар, Жозеф 227, 229

Акуила, землетрясение (2009) 193

Алеутские острова 153, 162

альбедо 228, 230, 236, 238–243, 272, 331, 342, 375

Альварес, Луис 92–93

Альварес, Уолтер 92–93

Амброуз, Стэнли 311–313

Американский музей естественной истории 65–66

Анды, горы 138, 140, 160, 214, 218, 248

Антарктида, оледенение 225, 346

антропоцен 352, 378

Апофис, астероид 109–110

Аппалачи, горы 160, 204–205, 330

Аррениус, Сванте 374

Артур, Майкл 292

архей (архейский эон) 13, 60, 123, 131, 135–139, 161, 196–198, 199, 203, 208–210, 215, 222

археи 129–130, 136, 330

археоптерикс 350

астероидов пояс 99, 101

астероиды 16, 18–20, 67, 73–74, 89, 95–104, 105, 106–115

Апофис 109–110

Баптистина 99–102

Бенну 20, 114

Гефьён 103–104

Дидим 20–21

Икар 110

исследование 19–21, 95–96, 99, 101, 103, 109, 112–115

Итокава 20, 114

Рюгу 20, 114

Эрос 112, 113

астрономические циклы 26–27, 237, 242, 346

Атуотер, Брайан 174–176

аэрозоли 97–98, 292, 304, 311, 313–314

от столкновения на мел-палеогеновой границе 97–98

сульфатные 97, 303, 311

аэта, группа племен на Филиппинах 298

базальт 125, 145, 155–156, 212, 274–277, 289–292

балансирующие камни как показатели землетрясения 171, 173

Баптистина, астероид 99–102

Барринджер, Дэниел 81–84

Барринджера кратер 81–85, 85, 86, 90, 321

Бермудская горячая точка 189–190

биогеохимия 354

биологический насос 253, 254

биомаркеры 130, 207, 222, 287–288, 293–294

Браунинг, Айбен 186

брахиоподы. Смотрите плеченогие

Брюн, Джим 36, 171

Бэйчуань, разлом 179–180, 181

Вайн, Фредерик 145–146

Ван Арсдэйл, Рой 189–190

Вегенер, Альфред 142–143, 147, 158, 343

великое потепление 249–250, 273, 373

вода 21, 24, 45, 132, 147, 156, 213, 220, 238, 246–247, 253–254, 279–280, 283–286, 320, 362, 373, 376

как ресурс 354, 368–372

круговорот 369, 371–372

на ранних стадиях жизни Земли 122, 126, 163

юридические вопросы 372

водоносные слои (водоносные горизонты) 369–372

вулканический пепел 59–60, 61, 302, 305–309, 308, 311–312, 313

вулканической активности шкала 299, 309–310

вулканизм 43, 58–59, 119, 154, 212, 254, 280, 285, 304–305, 356

в зонах субдукции 147, 155–158, 204, 212, 304

в крупных магматических провинциях 22–23, 274–276, 281–282, 285–292, 296

в цепи Гавайских островов 152–154

на горе Пинатубо (1991) 298–303

на океанических хребтах 145, 146, 155

суперизвержения 309–311, 315–321

Вурхис, Майк 306–308

выбросы пара 81–82, 320

в Йеллоустоне 315, 320–321

на Пинатубо 300–301

Высоких равнин водоносный слой 370

Гавайские острова 152–154, 212, 275, 317

Галапагосские острова 276

геологическая шкала, границы 47–51, 49

Гефьён, астероид 103–104

Гилберт, Гров Карл 81–83, 85

Гималаи, горы 138, 159–160, 165, 218, 248, 354, 352, 372

глобальное потепление 24–28, 239, 264, 267, 303, 327–328, 371, 376–377

голубой лед, Антарктида 64

Гондвана, континент 178, 225, 277, 330–331, 342–343, 346, 347–348

горячая точка 154–155, 188, 206, 317

Бермудская 189–190

Гавайская 154

Йеллоустонская 154–155, 315–317, 318, 320

Гренвильский пояс 205

Гренландия, оледенение 244–247

гуронское оледенение 210–214

Дансгор, Вилли 36, 233, 233

Дансгора — Эшгера осцилляции 244–245, 246, 247

Дарвин, Чарлз 48, 50, 52, 323–324, 350, 358

датирование. Смотрите радиоизотопное (радиометрическое) датирование

двоякодышащие 336

двуокись углерода. Смотрите углекислый газ

действующие факторы для климата 28, 224, 227–230, 236–242, 255, 270, 296, 375

Декан, плато 17, 275–276, 288–290

Дженнискенс, Питер 108

Дидим, астероид 20–21

динозавры 17, 91–92, 97, 335, 344–345, 349–351

диоксид углерода. Смотрите углекислый газ

докембрий 51, 53, 60, 117, 119, 131, 160

жад 162

жадеит 162

железистые кварциты 131–133

жизнь 46, 48, 51–53, 139, 213, 328, 333, 340

влияние на разнообразие минералов 252, 356–357

выход из моря на сушу 335–338

происхождение 126–130, 207–208, 221–222, 324

зеленые серобактерии 287–288, 293–294

землетрясения 12, 37–38, 149–152, 152, 159, 165–195, 300, 310, 319–320

в Акуиле (2009) 193

в зонах субдукции 149, 175

в Нортридже (1994) 169–170

в Нью-Мадриде (1811–1812) 182–188, 189, 190

в провинции Сычуань (2008) 177–180, 181, 182

в Сан-Франциско (1906) 37, 166–167

в Хайчэне (1975) 192

глобальная схема 149–150, 169, 188

интенсивность землетрясений 176–177

на Гавайях 152

на северо-западе Северной Америки 174–176

смягчение воздействия 193–194

упругой отдачи теория 167–168, 170

Земля, внутреннее строение 12–14, 77–78, 78

Земля-снежок 25–27, 198, 207, 211, 216, 219, 239, 258, 330

Зорге, Эрнст 231–232

излившиеся базальты 276, 290. Смотрите также крупные магматические провинции

изотопы 24, 44–45, 54–58, 71, 118, 138, 250, 284–286, 356, 360

кислорода 44–45, 231, 233–234, 235, 246, 249, 286

осмия 282–285, 288

серы 134

углерода 128, 230, 249–251, 256, 256–258, 265–271, 290

Икар, астероид 110

«Икар», проект 110

Индия, столкновение с Азией 159, 165, 347

инсоляция 229–231, 238, 242–243, 245

иридий, на мел-палеогеновой границе 92

испытания ядерного оружия 358–359

Итокава, астероид 20, 114

Йеллоустонский вулкан, кальдера 312, 316–317, 318, 319–321

Йеллоустонская вулканическая обсерватория 319

кайнозойская эра (кайнозой) 17, 19, 49, 53, 92, 326, 352

калий-аргоновое датирование 57–59, 305

кальдера 304, 308, 316–320, 318

Камп, Ли 292–294, 296

каменноугольный период. Смотрите карбон

каменноугольно-пермский ледниковый период 327, 343

карбон (каменноугольный период) 341–343

Карибская крупная магматическая провинция 276, 281–282, 285–289

Каскадия, зона субдукции 175–176

кембрийский взрыв 324

Кеннетт, Джеймс 249–251

Киршвинк, Джозеф 218–219

кислород 21, 43–45, 57, 128, 131–136, 198, 207, 221, 252, 278–282, 287, 293–294, 325, 357

в атмосфере ранней Земли 44, 131–133, 135–136

изотопы 44–45, 231, 233–234, 235, 246, 249, 286

кислородная катастрофа 135, 210–211

увеличение количества в конце протерозоя 136, 216, 220

кислородная катастрофа 135

кислотные осадки после столкновения на мел-палеогеновой границе 24, 97

Кларк, база ВВС США 298, 302

КМП. Смотрите крупные магматические провинции

Кокс, Рэндел 189–190

Колумбийское плато 276

Колумбия, суперконтинент 203, 214–215

конвекция в мантии Земли 14, 141, 161

континентальная кора 120, 144, 147, 148, 150, 151, 155–159, 164, 198–199, 206, 212, 285, 317, 356, 361–362

древняя сохранившаяся 118, 137, 157–158, 200, 203

континенты (материки) 16, 24, 58, 136–139, 142–144, 147–148, 151, 158–160, 178–179, 190, 198–200, 200, 201–207, 213, 217–218, 221, 225, 277, 278, 290, 310, 325, 333, 346, 347–349

дрейф 142–143, 147, 158, 215, 330, 343, 345, 352

образование (формирование) 197–199, 202–207, 211–215, 222, 225, 330, 341, 343, 345, 346

конусы разрушения 90

кора Земли 14, 77, 78, 118, 121, 146, 148, 150, 163, 212

континентальная 120, 137, 147, 148, 150, 151, 155–159, 164, 198–199, 206, 212, 285, 317, 356, 361–362

океаническая 146, 147, 148, 150, 155–157, 310, 356

кора Луны 76, 121

кратон 163, 204

Кризер, Роберт 282, 285

Криогений 25–26, 205, 216–222

Кролль, Джеймс 227–229

крупные магматические провинции (КМП) 21–22, 274–276, 290, 295–296

выделение углекислого газа 280, 286–290, 292

Деканское плато 276, 288–290

Карибская 276, 280–282, 285–289

Колумбийское плато 276

плато Онтонг-Ява 276

связь с массовыми вымираниями 21–22, 281–282, 285, 288–292, 296

Сибирские траппы 22, 276, 288–289, 291–292, 296

Центрально-Атлантическая магматическая провинция 288–291

Крутцен, Пауль 352

Кулик, Леонид 88–89

Кэмп Сенчури, Гренландия 232–233, 235

Ла-Гарита, суперизвержение 304–306, 309–311, 372, 315

Лаврентия, континент 204, 325, 346

Лазаря виды 344

Лайель, Чарлз 40–41

ледниковые периоды 25–26, 103, 164, 209, 213, 216–220, 223–227, 231, 244, 327

астрономическая теория 227–230, 237

гуронское оледенение 210–214

Земля-снежок 25–27, 198, 207, 211, 216, 219, 239, 258, 330

каменноугольно-пермский 327, 343

на ордовикско-силурийской границе 330–331, 333–334, 343

плейстоценовый 26–27, 190, 223–227, 230–231, 234, 236, 239, 241, 268, 342, 307

ледниковье 224, 239–243, 246, 268

ледяные керны 34, 38, 43–44, 235, 237, 240, 242, 244, 248, 374

из Антарктиды 34, 225, 231, 233–234, 236, 245

из Гренландии 231–234, 243–245, 246, 313–314

содержащие парниковые газы 234, 240

литосфера, на ранней Земле 14–15, 138, 345

литосферные (тектонические) плиты 12–15, 55, 117–118, 141, 141–142, 147, 148–152, 152, 155–156, 159–161, 165, 175, 178, 188, 204, 276

магматические породы 42–43, 45–46, 57, 94, 144, 200

размер зерен 43

«магматический океан», на Луне 76, 121

магнитное поле, изменение направления на Земле 144–145, 146, 200–202

магнитные свойства 144, 199–200, 210, 217

континентальных пород 144, 160, 201

пород морского дна 144–146, 146, 159

Макфи, Джон 158

Манила 301

мантия Земли, конвекция 14–15, 141, 161

Марианские острова 162

массовое вымирание 17, 21–25, 53, 96, 281, 296, 326–332, 334, 343–344, 352

большая пятерка фанерозоя 326, 327, 328, 335, 343

изменения среды как спусковой крючок 53, 288, 291, 295, 326, 352

на мел-палеогеновой границе 17, 92, 96, 116, 290–291, 295, 326, 327, 328–329, 349, 352

на пермско-триасовой границе 22, 24–25, 59–60, 291–292, 294–295, 326, 327, 328–330, 344–345

ордовикско-силурийское 329–332

связь с крупными магматическими провинциями 17, 21–25, 281, 285, 289, 292, 296

шестое вымирание 328, 352

материки. Смотрите континенты межзвездные облака 69–70, 72–73, 79

коллапс 70–72

межледниковье 224, 239–243, 245–246, 268

мезозойская эра (мезозой) 17, 49, 53, 59, 92, 326

мел-палеогеновая граница 92–94, 96, 99, 101, 104, 116, 290–291, 295, 326, 329–330, 335, 345, 346, 351

метаморфизм 52, 57, 118–119, 128, 199, 208, 356

в зонах субдукции 161–162

метаморфические породы 45–46, 118–119, 205

метеор 87

Метеор, кратер. Смотрите Барринджера кратер

метеориты 54, 63–68, 70–72, 80–84, 86–90, 92, 96–97, 99, 101–104, 112, 121, 356, 359

в Судане (2007) 107–108

возраст 54, 65–66

ископаемые 102–103

железные 65–66, 74

кратер Барринджера 81–84

Мыс Иорк 66, 74, 80

метеороиды 87, 88, 89, 104, 109

метан 69, 98, 208–212, 219, 238, 240–241, 250, 252, 258–260, 272, 294

в атмосфере ранней Земли 136, 208–211

в ледяных кернах 235, 260

выделившийся в конце времен Земли-снежка 219, 258

выделение во время ПЭТМ 250, 257–260, 262–266, 268, 285

гидрат 219, 258–260, 264–265, 272, 290

как вулканический газ 136

роль в циклах плейстоценового ледникового периода 240–241

метана гидрат 219, 258–260, 264–265, 272, 290

метановый конденсатор 265

микроконтинент 198, 200

Миланкович, Милутин 228–231, 236–237

Миланковича циклы 27, 236, 242, 342

минеральные ресурсы 35, 354, 360–362, 364, 368

минералогия 20, 42, 81, 88, 354–357

минералы 13, 43, 54, 56–59, 65–66, 68–69, 71, 77, 90, 99–100, 112, 119, 133–134, 137, 161–164, 198–200, 212, 305, 353–357, 361–362, 364–366

разнообразие 356–357

эволюция 355–357

митохондрии 215

млекопитающие 164, 268–269, 335, 344–345, 348, 351–352

первое появление 345

молодого слабого Солнца парадокс 135, 208

Молтон, Форест 83

морены 226

морская вода 18, 21, 58, 132, 253, 257, 261, 284–286, 288, 294, 332, 346–347, 361–363, 376

температура в прошлом 24, 45, 47, 132, 174, 231, 259, 262, 267, 286.

Мыс Иорк (метеорит) 66, 74, 80

Мэтьюз, Драммонд 145–146

наземные животные, старейшие известные 337–339

наклон оси вращения Земли 227, 229–230, 237

насекомые, самые старые известные 338, 340

неолитическая революция 352

нептунисты 40

Нортридж, землетрясение (1994) 169–170

носороги, окаменелости 306–308, 308, 317

Нуввуагиттук, пояс 117–118

Ньос, озеро 262–264

Нью-Мадрид, землетрясение (1811–1812) 182–188, 189, 190–191

Нью-Мадрид, сейсмическая зона 185–188, 189, 190–192

обратная связь в климатических системах 228, 230, 239–243, 252, 255, 262, 267, 270, 272, 374, 376

озоновый слой 97, 133–134, 294–296, 303

дыра в озоновом слое после извержения Пинатубо 303

окаменелости 22–23, 46–53, 58–60, 61, 128–130, 158–159, 197, 207, 306, 323–324, 332, 335–340, 344, 350, 358

как показатели окружающей среды 268, 287, 289, 328, 331, 332–333, 344

носороги 306–308

старейших известных животных 48, 126, 129, 207, 214, 221–222

океаны 18, 25, 29, 34, 40, 44, 53, 60, 63, 78–79, 129–136, 142–144, 147, 156, 158–160, 207–208, 213–223, 239, 250–253, 254, 255–259, 269–271, 277–278, 291–293, 325, 330–333, 345–347, 353, 357, 361

повышение кислотности в нынешнее время 261, 354, 373, 375–377

повышение кислотности во время ПЭТМ 21, 261, 271, 289, 327

циркуляция, роль в климате 225, 228, 238, 241, 245–247, 249, 279–280, 375

океаническая кора 146, 147, 148, 150, 155–157, 310, 356

океанические бескислородные явления 279–281, 284–288

связанные с Карибской КМП 280–282, 285–290, 295–296

океанические хребты 13, 141, 144–150, 152, 153, 155–156, 175, 363

околоземные объекты 16–17, 19–20, 30, 102–104, 105, 105–114

вычисление орбит 19, 106–110

снижение рисков 102, 105

Онтонг-Ява, плато 276

ордовикско-силурийское вымирание 329–332

осадочные породы 18, 24, 40–41, 45–52, 58–59, 61, 91, 93–94, 98, 126, 128, 130–131, 133–134, 138, 140, 159, 188, 197, 206, 208, 212–213, 220, 222, 231, 242, 256, 270, 277–283, 286, 290, 293, 295, 309–310, 331–332, 334, 339–342

осмий 282–285, 288

в богатых органикой отложениях 283

изотопы 282, 284–285

островные дуги, вулканические 162, 204–205, 310

отражательная спектроскопия 99

Павлов, Алекс 292

палеоген 17, 92, 326

палеоген 17, 92, 326

палеозойская эра (палеозой) 49, 53, 59, 326

палеомагнетизм 201–202, 218

палеоцен-эоценовый термический максимум (ПЭТМ) 250–251, 255, 256, 257–273

изменения во флоре и фауне 262, 267–268

прогноз изменений климата 260–261, 267, 270–273

стадии 269–270

Пангея, суперконтинент 205, 291, 343–345, 348, 352

распад 291, 345, 347–348

парниковый эффект на ранней Земле 25, 136, 139, 208–211, 217–219, 260, 277, 330, 342

парниковые газы 21, 23–25, 28, 136, 212–214, 222, 234, 236, 238, 240–242, 252–253, 297, 330, 373

в атмосфере ранней Земли 23–24, 135

от удара на мел-палеогеновой границе 98

роль в резком изменении климата 11, 24, 98, 211, 218, 245, 248, 255, 267, 270, 272, 286, 289–290, 296, 327, 374–376

Пинатубо, вулкан, извержение 1991 года 298–309, 312, 313–314, 322

Пири, Роберт 66

пирокластический поток 298, 302

пермско-триасовое вымирание 22–25, 59–60, 291–292, 294–295, 326, 327, 328–330, 344–345

песчаные выбросы 191–192

планетезимали 73–75, 120

планеты земной группы 68, 74, 362

плейстоценовый ледниковый период 26–27, 190, 223–225, 230–231, 234, 241–242, 268, 342, 352, 370

циклы 27, 230–231, 236, 239, 242

плеченогие (брахиоподы) 332–334

плюмы мантии 154, 206, 275–276, 316. Смотрите также горячие точки

подземные воды 369–372

поздний дриас 244–246, 246, 247, 270

поздняя тяжелая бомбардировка 125

показатели геохимические 43–45, 67, 134, 225, 282, 286

полюсов движение (блуждание) 144, 201–202

породы 11, 13, 18, 24, 43, 46–54, 56–60, 61, 64–67, 75–76, 78, 82, 89–94, 97–98, 101, 103, 116–128, 130–134, 137–141, 144–145, 147–149, 150, 152, 155–162, 170, 179, 182, 194, 196–214, 216–218, 220, 222, 231, 242, 254, 254–255, 256, 270, 276–287, 290–295, 301, 304–305, 309–310, 324–325, 331–332, 334, 337, 339–342, 345, 354, 362–365, 370, 374, 376

происхождение различных типов 38–46, 64–66, 78, 118, 124, 138, 157, 285, 305

потоп библейский 39

прецессия оси вращения Земли 229–230, 237

Программа околоземных объектов 107

Промышленная революция 296, 352, 376

протерозойский эон (протерозой) 13, 25, 49, 60, 130, 136, 196–199, 202–204, 205, 206–212, 214, 218, 222–223, 239, 258, 279, 325

Проект глубоководного бурения 279

Просвещение 39

птицы, первое появление 349–351

птерозавры 349

ПЭТМ. Смотрите палеоцен-эоценовый термический максимум

радиоактивность 47, 50, 54, 56, 71, 138, 282, 284, 356, 360, 377

радиоизотопное (радиометрическое) датирование 47, 54–58, 60, 65, 67, 118, 230, 288, 292, 316

растения, первое появление на суше, 326, 335, 338–340

расширение морского дна. Смотрите спрединг

Резерфорд, Эрнест 54

резкое изменение климата 29, 243–245, 248–250, 270

рельеф 144, 182, 206, 213, 317, 369, 371

древней Земли 136–138

Рид, Генри 167, 170

Рилфут, разлом (рифт) 188, 189, 190, 192

Рихтер, Чарлз 176

Рихтера шкала 176–177

Родиния, суперконтинент 203–205, 216–217, 330

Ромер, Альфред 336

рудные залежи, формирование 132, 197, 363–364

рыбоног 327, 337

Рюгу, астероид 20, 114

Саган, Карл 135

Сайт динамики околоземных объектов 107

Сан-Андреас, разлом 33, 165, 166, 167–168, 171, 192, 194

Сан-Франциско, землетрясение (1906) 37, 166–167

Сан-Хуан, горы 304

сверхновая 70–71

Североамериканская плита 141, 165, 166, 190, 316, 318

Седжвик, Адам 323–325

сейсмическая активность 151, 152, 158, 167–170, 174–175, 182, 185, 187

сейсмические волны 169–170, 183, 194, 359

сейсмология 178, 300–302, 322, 359

роль в обнаружении испытаний ядерного оружия 358–359

сеномано-туронская граница 280–282, 287

сера 43, 97–98, 134, 303, 313–314, 363, 368

диоксид серы как вулканический газ 134, 301, 303, 305, 313

изотопы 134

сероводород 287–288, 293–295, 327

Сибирские траппы (излившиеся базальты) 22–24, 276, 288–289, 291, 343

скучный миллиард 196, 214, 216

Слейв, кратон 163–164

Смит, Уильям 50

Снейк, долина реки 316

спектральный анализ 20, 100–101, 103, 237

споры 295, 335, 339–340

окаменелости с мутациями на пермско-триасовой границе 295

спрединг (расширение) морского дна 146, 153, 156, 165, 175, 263, 277

Срединно-Атлантический хребет 144, 147

старейшие породы на Земле 13, 54, 65, 117–124, 128, 137, 162, 164, 198

Стенсен, Нильс (Стено, Николас) 47–48, 50

Стотт, Ловелл 249–251

стратиграфия 48, 49

стратовулканы 304

строматолиты 126–127, 127, 128–129, 207, 357

субдукции зона 13–16, 141, 147, 148–149, 152–158, 161–165, 169, 204–205, 212–213, 255, 330, 364

вулканизм 153, 155–158, 162, 204, 212, 299–300, 304, 310, 315

землетрясения 149–151, 175, 177

Каскадия 175–176

метаморфизм 161–162

формирование линейных горных цепей 160

сумчатые 164, 348–349

супервулканы. Смотрите суперизвержения

суперизвержения 309–310, 314–318, 321

Йеллоустон 312, 315–316, 320–321

Ла-Гарита 304–306, 309–311, 312, 315

Тоба 310, 312, 314–315

суперконтиненты 199, 202–207, 291, 330, 343, 348

Колумбия 203, 214–215

Пангея 205, 291, 343–345, 347–348, 352

распад 199, 203, 205–206, 215, 291, 348

Родиния 203–205, 215–217, 330

рост 199, 203, 207, 215

суперпарниковый эффект 219, 239, 258, 330

Сычуань, землетрясение (2008) 177–180, 181, 182

Тамбора, вулкан, извержение 1815 года

Тарджон, Стивен 282–285

тектоника плит 12–16, 136–137, 140–142, 146, 149, 151–155, 158, 160–165, 167, 178, 195, 199, 201, 204, 225, 262, 280, 309, 341, 353, 355, 358–359

движущие силы 13–15, 140–141

начало 12, 15, 137, 162

тектонические плиты. Смотрите литосферные плиты

тело, столкнувшееся с Землей на мел-палеогеновой границе 18, 94, 96–100, 291

влияние на окружающую среду 96–98

тетраподы. Смотрите четвероногие

тероподы, динозавры 349–350

тиктаалик (ископаемое животное) 337

тиллит 209

Тиндаль, Джон 373

Тихоокеанская плита 141, 151–152, 154, 165–166, 166, 316

Тоба, вулкан 310–312, 312, 313–315

торф 252–253, 265–266, 341

траппы 22–24, 276, 288–291, 343

Тунгусский метеороид 86–87, 88, 89, 104, 109

углерода геохимический цикл 251–254, 254, 270, 272, 277, 286, 289

углекислый газ (двуокись углерода, диоксид углерода) 24, 78, 98–99, 251–254, 254, 255, 262–264, 271–272, 296, 327, 330–331, 342, 373

в атмосфере мелового периода 277, 289

в атмосфере ранней Земли 128, 135, 138, 206, 208, 212–213

в ледяных кернах 234–235, 238, 241

выделение в крупных магматических провинциях 277, 280–281, 286–287, 289–292, 296

выделение из Йеллоустонского вулкана 319–320

как вулканический газ 26, 136, 212, 254, 254–255, 263, 277, 280, 286, 292

концентрация во время ПЭТМ 249–251, 255–256, 256, 260–266, 269–270, 285, 373

недавнее повышение уровня в атмосфере 238, 270–271, 373–376

роль в циклах плейстоценового ледникового периода 240–241

рост количества во времена Земли-снежка 217, 219, 325

удаление из атмосферы посредством химического выветривания 213–214, 217, 254, 254, 255, 287, 331

углерода двуокись. Смотрите углекислый газ

углерода диоксид. Смотрите углекислый газ

углерода изотопы, изменения при ПЭТМ 250–251, 256–258, 260, 269–271, 284–285, 290

углерод-14, датирование 56, 230

уголь, залежи каменноугольного периода 24, 341–343

удар, образовавший Луну 75–76, 116, 290

влияние на Землю 76, 116, 122, 125

время 75

ударного формирования гипотеза 75, 82–85, 91–93

ударное образование кратеров 16–17, 33, 80–82, 84–85, 91, 265

как геологическая сила 80

на Луне 16, 80, 100

частота на Земле 80, 95, 100, 102–104, 105, 122, 125, 360

ударные волны 16, 84, 169

от сверхновой 70–71

от столкновения на мел-палеогеновой границе 96, 98

от Тунгусского столкновения 86–87

ударные структуры на Земле, самые крупные 89–91, 93

Уилсон, Джон Тузо 153

ультрафиолетовое излучение 97, 134, 139, 294–295

униформизма принцип 41, 48

упругой отдачи теория 167–168, 170, 182

Урал, горы 160

уран-свинцовое датирование 56–58, 60, 61, 119, 199

фанерозойский эон (фанерозой) 196, 199, 324–326, 329, 340, 351–352

большая пятерка 328

временная шкала 327, 327

Фиш-каньона туф 305

«Хаббл», космический телескоп 68–69

Хайчэн, землетрясение (1975) 192–193

Харрисон, Марк 162

Хаттон, Джеймс 40–41, 45, 47

«Хаябуса», космический аппарат 20, 114

Хейзен, Роберт 355

Хильдебранд, Алан 93–94

«химические окаменелости» 128

химическое выветривание 24, 213, 255, 331

химическое разделение Земли 356

хондриты 65–68, 71–72, 74

L-хондриты 103

Хоффман, Пол 220

Хуан-де-Фука, плита 141, 175

Центр малых планет 106–107

Центрально-Атлантическая магматическая провинция (CAMP) 288–291

цианобактерии 126, 213

циклы оледенения, в плейстоценовом ледниковом периоде 190, 224–231, 234, 236–243, 268, 342

циркон 54, 56–57, 59–60, 61, 118–122, 198–199

в докембрийском австралийском кварците 119–120, 137, 163

самый старый известный 54, 118–122, 124–125, 137, 162–163, 198

цунами 19, 93, 98–99, 174–176, 310

от землетрясений на северо-западе Северной Америки, 174–176

от столкновения на мел-палеогеновой границе 19, 93, 98

черные курильщики 363–364

Черное море 278, 287–288

черные сланцы 278–281, 283–285, 287–288, 293

четвероногие (тетраподы) 337–339, 341, 344

Чикшулуб, кратер 17–19, 21, 94–95, 95, 97, 99–101, 111, 291

Шарк, залив, Австралия 127, 127

Шарлуа, Огюст 99

Шмитц, Биргер 102–103

Шумейкер, Юджин 85, 113

эволюция 42, 46, 48, 53, 130, 197, 207, 210, 213–215, 221–223, 313, 324–326, 333–341, 345, 347, 350, 355–358, 373

палеонтологическая летопись окаменелостей 22–23, 46, 50–52, 221–222, 268–269, 306, 324, 326–329, 336–338, 344, 349, 355

эксцентриситет орбиты Земли 227, 229–230, 236

Эрос, астероид 112, 113

эрозия 13, 16, 32, 52, 55, 58, 84, 94, 117, 138, 158, 171, 205–207, 213, 276, 285, 290, 300, 304, 309, 314, 325, 354

эукариоты 130, 197, 207, 214–215, 221

первые окаменелости 207, 214

«эффект бутылочного горлышка» для человеческой популяции 311, 313

Эшфоллский парк ископаемых животных, Небраска 307, 308, 317

Юкатан, полуостров 18, 93–94, 95

Юри, Гарольд 44–45

ядро 65, 70, 74, 114

Земли 65, 74–77, 78, 79, 121, 141, 154

планет 74

Список иллюстраций

1. Геохронологическая шкала

2. Осадочные слои на пермско-триасовой границе

3. Внутреннее строение Земли

4. Кратер Барринджера, Аризона

5. Результат удара Тунгусского метеорита, Сибирь

6. Карта кратера Чикшулуб на полуострове Юкатан в Мексике

7. Диаграмма зависимости частоты столкновений и размеров астероидов

8. Астероид Эрос

9. Хронологическая шкала для первых двух миллиардов лет Земли

10. Ископаемые и современные строматолиты

11. Основные литосферные плиты

12. Полосы разной магнитной полярности на океаническом дне

13. Поперечное сечение зоны субдукции

14. Поперечное сечение, показывающее мантию, кору и литосферу

15. Места землетрясений, которые произошли между 1963 и 1998 годами

16. Разлом Сан-Андреас, Калифорния

17. Балансирующий камень, Калифорния

18. Место Сычуаньского землетрясения 2008 года

19. Карта разлома Рилфут на юго-востоке Соединенных Штатов Америки

20. Карта участков коры архейского возраста

21. Временная шкала протерозойского эона

22. Данные по изотопам кислорода для ледяных кернов из Кэмп Сенчури (Гренландия)

23. Данные ледяного керна со станции «Восток» в Антарктиде за 400 тысяч лет

24. Температуры в Гренландии за последние 50 000 лет

25. Пути в геохимическом цикле углерода

26. Данные керна из осадочных пород для палеоцен-эоценового термического максимума

27. Континенты во времена Карибского океанического плато

28. Окаменелости носорогов в Эшфоллском парке ископаемых животных (Небраска)

29. Сравнение выбросов для нескольких крупных извержений

30. Карта кальдер, образованных Йеллоустонской горячей точкой

31. Временная шкала событий фанерозойского эона

32. Биологическое разнообразие при переходе через ордовикско-силурийскую границу

33. Палеокарты для фанерозойского эона

Содержание

Список иллюстраций … 9

Предисловие к русскому изданию … 11

Предисловие … 31

Благодарности … 36

Глава 1 Увековечено в камне … 37

Глава 2 Создание нашей планеты … 63

Глава 3 Близкие контакты … 80

Глава 4 Первые два миллиарда лет … 116

Глава 5 Блуждающие плиты … 140

Глава 6 Шаткие основания … 165

Глава 7 Горы, жизнь и большой холод … 196

Глава 8 Холодные времена … 223

Глава 9 Великое потепление … 249

Глава 10 Чтение по губам … 274

Глава 11 Беспокойные гиганты … 298

Глава 12 Плывем, ползем и летим к настоящему … 323

Глава 13 Зачем нужна геология … 353

Библиография и рекомендуемая литература … 379

Указатель … 389

Знание прошлого планеты позволяет заглянуть в ее будущее, убежден Дуг Макдугалл, профессор геонаук и заядлый путешественник. В своих экспедициях Дуг объездил Сибирь, Индию, Канаду и даже Арктику. В книге он делится всем, что геологам удалось узнать о нашей потрясающей планете за последние десятилетия.

Вы узнаете, как Земля сформировалась и приняла свой нынешний облик, как менялась ее поверхность и атмосфера и какой удивительный путь прошли ученые-геологи, изучая ее историю — историю, которая позволяет нам заглянуть в будущее планеты и найти ответы на вопросы, которые стоят перед нами сегодня.

«Книга Макдугалла — ключ к будущему нашей планеты».

Примечания

1

Имеется в виду отсутствие горизонтальных перемещений. При этом вертикальные перемещения были очень активны. В своих лекциях я называю этот этап «вертикальной тектоникой». — Прим. науч. ред.

2

Альтернативным объяснением массовых вымираний являются очень крупные магматические события на Земле. 68–65 млн лет назад сформировалось огромное вулканическое плато Декан (Северная Индия) площадью около 1,5 млн км^2. Дискуссия между сторонниками вулканической или метеоритной причины массовых вымираний пока далека от завершения. — Прим. науч. ред.

3

Сейчас кратер Чикшулуб расположен наполовину в море, наполовину на полуострове Юкатан в Мексике. — Прим. пер.

4

Бенну выбран как раз потому, что теоретически представляет угрозу для нашей планеты (вероятность его столкновения с Землей в 22 веке оценивается в 1/4000). — Прим. пер.

5

Запущенный 24 ноября 2021 года, аппарат должен столкнуться с Диморфом в конце сентября — начале октября 2022 года. — Прим. пер.

6

Восстановление детальной хронологии излияний Сибирских траппов еще далеко от завершения, несмотря на существенный прогресс в последние годы. Точность современных геохронологических методов пока недостаточна для разделения интервалов в десятки тысяч лет при возрасте 251 млн лет. Однако эти методы развиваются стремительно, что позволяет надеяться на решение вопроса в ближайшие десятилетия. — Прим. науч. ред.

7

Перевод З. Е. Александровой. — Прим. пер.

8

В русскоязычной литературе часто встречается также Стеной. Николаус Стено (Стеной) — латинизированное имя, под которым Нильс Стенсен публиковал свои научные труды. — Прим. науч. ред.

9

«Немые» толщи существуют не только в докембрии. Для сохранения пригодной для определения возраста фауны требуется ряд условий, которые соблюдаются далеко не всегда. — Прим. науч. ред.

10

Следует отметить, что на Земле не найдено пород старше 4 млрд лет. Возраст Земли определялся по возрасту метеоритного вещества, и только недавно на Земле были обнаружены зерна циркона (очень устойчивого минерала), отдельные участки которых формировались 4,37 млрд. лет назад. — Прим. науч. ред.

11

В России обширную метеоритную коллекцию, в том числе Палассово железо и Сихотэ-Алинский метеорит, можно посмотреть и потрогать в Минералогическом музее им. А. Е. Ферсмана Российской академии наук. — Прим. науч. ред.

12

С давно найденными метеоритами бывают исключения — например, китайский Серебряный верблюд или найденный у Красноярска метеорит Палласово железо. Но стандартный метод наименования — по месту находки; например, официальное название Палласова железа — Красноярск. Кроме того, фрагменты метеорита могут получить собственные названия: упомянутый автором метеорит Мыс Йорк состоит из частей Женщина, Собака и Палатка (или Анигито). — Прим. пер.

13

От др. — греч. χóνδρος «зерно». — Прим. пер.

14

Каменная в данном контексте означает, что главные минералы — силикаты, то есть кремнекислородные соединения различных металлов. — Прим. науч. ред.

15

Кратер Барринджера — неофициальное название. Совет США по географическим названиям использует для наименования таких объектов название ближайшего почтового отделения, так что официально именует его кратер Метеор (Meteor Crater), поскольку ближайшее почтовое отделение носит название Метеор. — Прим. пер.

16

Существуют и вдвое большие оценки размера Тунгусского метеорита. — Прим. пер.

17

Согласно определению Международной метеорной организации, метеороид — это твердый объект, двигающийся в межпланетном пространстве, размер которого существенно меньше, чем у астероида, но существенно больше, чем у атома или молекулы. — Прим. пер.

18

Леонид Алексеевич Кулик (1883–1942) с 1921 года возглавлял метеоритный отдел Минералогического музея, на основе которого в 1939 году был создан метеоритный комитет Академии наук. — Прим. науч. ред.

19

Сихотэ-Алинский метеорит. Впрочем, сейчас в списке уже 190 структур, и самым молодым является кратер метеорита Каранкас, упавшего в Перу в 2007 году. — Прим. пер.

20

Озеро Суавъярви в Карелии. Впрочем, не все согласны, что эта структура — ударная. — Прим. пер.

21

Кратер Садбери в канадской провинции Онтарио и кратер Вредефорт в ЮАР. — Прим. пер.

22

Так называемый кратер Земли Уилкса. — Прим. пер.

23

По современным оценкам ее диаметр меньше: 13–30 километров. — Прим. пер.

24

К сожалению, все не так однозначно. Уже в следующем 2008 году оказалось, что состав Баптистины не схож с породами на мел-палеогеновой границе, а в 2011 году данные инфракрасного космического телескопа WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) резко изменили предполагаемую дату столкновения в поясе астероидов, породившего семейство Баптистины. Теперь оценка этого времени — 80 миллионов лет назад. В этом случае семейство Баптистины приходится вычеркнуть из списка потенциальных виновников гибели динозавров: за полтора десятка миллионов лет (Чикшулуб образовался 66 миллионов лет назад) астероид не мог добраться до нашей планеты. — Прим. пер.

25

Впоследствии Шмитц выдвинул гипотезу, что большое количество космической пыли, попавшей в атмосферу при прохождении через осколки погибшего астероида, вызвало короткий ледниковый период в середине ордовикского периода, который, в свою очередь привел к увеличению биологического разнообразия на планете (так называемый «великий всплеск биоразнообразия в ордовике»). — Прим. пер.

26

Все такие данные быстро устаревают: их обновляют при уточнении параметров орбиты астероида. Сейчас астероидом с наибольшей кумулятивной вероятностью столкновения с Землей в таблице рисков системы наблюдения Sentry является 2010 RF_12, у которого эта вероятность равна 4,7 %, а дата максимального риска столкновения — 5 сентября 2095 года. Оцениваемый диаметр астероида — 7 метров. — Прим. пер.

27

Названа в честь упомянутого ранее геолога Юджина Шумейкера. NEAR означает Near Earth Asteroid Rendezvous — «Встреча с околоземным астероидом». — Прим. пер.

28

Как отмечалось в предисловии, с тех пор аппараты посетили еще два околоземных астероида (Рюгу и Бенну); кроме того, «Филы» (спускаемый аппарат межпланетной станции «Розетта») сел на ядро короткопериодической кометы Чурюмова — Герасименко в 2014 году. — Прим. пер.

29

Имеются в виду метаморфические породы комплекса Нуввуагиттук. Метаморфизм сформировал эти породы 2,6 миллиардов лет назад, но он преобразовывал более древние породы, которые имеют возраст 3,75–3,8 млрд. лет, определенный по сохранившимся зернам циркона. Возраст старше 4 миллиардов лет аргументируется небольшим избытком одного из изотопов неодима, который мог сформироваться за счет одного из короткоживущих изотопов самария, закончившегося на Земле около 4 миллиардов лет назад. Даже если это так, то полученный возраст не является возрастом породы, а только одним из отголосков какого-то древнего вещества, существовавшего на Земле во время формирования породы. — Прим. науч. ред.

30

Живые сообщества называются цианобактериальными матами. Строматолиты — это минерализовавшиеся остатки их нижних слоев. — Прим. пер.

31

Не выше Крымских гор (их максимальная высота 1546 метров). — Прим. пер.

32

Следует отметить, что французский географ Антонио Снайдер-Пелегрини в 1858 году (на 60 лет раньше А. Вегенера) опубликовал книгу, в которой соединил Америку, Европу и Африку в один континент на основании сравнения ископаемых растений. А предшественником А. Снайдера-Пелегрини был фламандский картограф А. Ортелиус, высказавший в XVI веке предположение о том, что когда-то все континенты представляли один континент. — Прим. науч. ред.

33

От англ. spread «расширять, растягивать». — Прим. пер.

34

Хотя высота Эвереста над уровнем моря 8848 метров, его высота от подножия до вершины — примерно 3550 метров. Гора Мауна-Кеа на острове Гавайи имеет высоту 4205 метров над уровнем моря, однако примерно 10 200 метров, если измерять от основания на дне океана. — Прим. пер.

35

Такой поток называют мантийный плюм (от англ. plume «шлейф, струя, поток»). Он двигается вверх от ядра. — Прим. пер.

36

Необходимо отметить, что базальты слагают очень незначительную часть океанической литосферы (то есть плиты). Главная составляющая литосферы — мантийные породы, которые были горячими в зонах спрединга, но постепенно остывают при движении плиты от срединно-океанического хребта. — Прим. науч. ред.

37

Жад — общее название двух разных минералов — жадеита и нефрита. — Прим. пер.

38

Например, метод учитывал только энергию поверхностных волн, но при глубоких толчках нужно не забывать еще и объемные волны. — Прим. пер.

39

Обратите внимание, что магнитуда — величина безразмерная, и слово «баллы» употреблять неправильно: нужно говорить о землетрясении «магнитудой 6», а не «магнитудой 6 баллов». — Прим. пер.

40

Афтершок (англ. aftershock, от after «после» и shock «толчок») — более слабый толчок, который происходит примерно в том же месте после основного удара. — Прим. пер.

41

Около 27 метров. — Прим. пер.

42

Огромные разрушения во время Спитакского землетрясения (7 декабря 1988 года) были вызваны недооценкой опасности, нечеткими нормами сейсмостойкого строительства и нарушениями при их выполнении. В результате погибло более 25 тысяч человек и было разрушено примерно 40 % промышленности Армении. — Прим. науч. ред.

43

К этому списку можно было бы добавить формирование огромного количества вулканических поясов, плутонов и рудных месторождений. Плутон (или плутонический массив) — общий геологический термин для обозначения крупных самостоятельных тел глубинных изверженных пород. — Прим. науч. ред.

44

В 2019 году северный магнитный полюс перешел в арктический сектор России и двигается в сторону полуострова Таймыр. — Прим. пер.

45

Реконструируемую основу Родинии составляли Лаврентия (Северная часть Канады) и Сибирский кратон. К Сибирскому кратону примыкали Балтийский щит, Гренландия и Южно-Китайская платформа. — Прим. науч. ред.

46

Атмосфера Титана состоит в основном из азота, в ней есть небольшое количество метана, образующего облака. — Прим. пер.

47

Вероятнее растворение в форме гидрокарбонатов. — Прим. науч. ред.

48

Предполагается, что вдоль экватора льдов не было, или они были тонкими. Эту гипотезу по аналогии назвали Slushball Earth (буквально: Земля — шар из снежуры, то есть кашеобразной смеси снега, льда и воды). — Прим. пер.

49

Альбедо — характеристика отражающих свойств поверхности: отношение рассеянного светового потока к падающему на поверхность потоку. Например, у свежевыпавшего сухого белого снега альбедо примерно 0,9 (то есть он отражает около 90 процентов солнечной радиации). — Прим. пер.

50

Эль-Ниньо — колебания температуры в поверхностном слое воды в Тихом океане. — Прим. пер.

51

Lip (англ.) — губа. Отсюда и каламбурное название главы, и юмористическое название рубрики сайта. — Прим. пер.

52

Траппы (от швед. trappa — «лестница») — вид магматизма с излиянием за короткое время больших объемов базальтов, покрывающих колоссальные площади. — Прим. пер.

53

Так называемое сеномано-туронское массовое вымирание или сеномано-туронское океаническое бескислородное событие. — Прим. пер.

54

Кратер и кальдера существенно отличаются размерами. Кратер — относительно небольшое образование на вершине вулкана, а кальдеры имеют километры в диаметре и могут заключать в себе целые вулканы (например, вулкан Сакурадзима в кальдере Аира в Японии). Кальдеры часто образуются за счет оседания пород на большой площади после опустошения магматического очага. — Прим. науч. ред.

55

На самом деле Вурхис рассказывал потом, что в тот момент не искал окаменелости, поскольку в прерии нет обнажения пород, где обычно ищут кости. Палеонтолог собирался составить геологическую карту Небраски, и наткнулся на череп случайно (его вымыло дождями). — Прим. пер.

56

Эффект бутылочного горлышка — сокращение численности популяции из-за каких-либо событий (болезни, голод, стихийные бедствия и т. д.). Приводит к снижению генетического разнообразия в популяции. — Прим. пер.

57

Извержение получило уровень 7 по шкале вулканической активности. — Прим. пер.

58

Следует отметить, что первоначально сформированная гигантскими извержениями долина позже покрывалась потоками базальтов, которые и обуславливают современный плоский рельеф. — Прим. науч. ред.

59

В России, к сожалению, отсутствует вулканологическая служба, которая могла бы участвовать в подобных глобальных систематических работах. Отдельные исследования ведутся в Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, а также учеными из различных институтов и университетов. Мониторинг активных вулканов Камчатки проводит группа КВЕРТ. За координацию действий при извержениях отвечает МЧС РФ. — Прим. науч. ред.

60

Должность создал в 1728 году английский натуралист Джон Вудворд (тогда она называлась профессор окаменелостей). — Прим. пер.

61

Каламбурно использованная идиома leave no stone unturned (буквально «не оставить ни одного камня неперевернутым») означает «делать все возможное, испробовать все средства, ничего не оставить без внимания». — Прим. пер.

62

Граница между пермью и триасом — одновременно граница между палеозойской и мезозойской эрами; граница между мелом и палеогеном — одновременно граница между мезозойской и кайнозойской эрами. — Прим. пер.

63

Отсылка к фразе, приписываемой английскому альпинисту Джорджу Мэллори. Когда его спросили, почему он хочет подняться на Эверест, Мэллори ответил: «Потому что он существует». — Прим. пер.

64

Так называемый эффект Синьора — Липпса: поскольку палеонтологическая летопись всегда неполна, то ни первый, ни последний (по времени) организм в конкретном таксоне практически наверняка не будет зарегистрирован в виде окаменелостей. Назван в честь предложивших этот принцип в 1982 году Филиппа Синьора и Джере Липпса. — Прим. пер.

65

Эффект Лазаря — обнаружение в геологической летописи или в живой природе какого-либо животного, которое к этому моменту считалось давно вымершим. Обнаружиться могут разные таксоны — виды, роды или даже отряды (например, целакантообразные, к которому относится знаменитая латимерия). — Прим. пер.

66

Рекорд принадлежит полярной крачке — 70 тысяч километров, а отдельные особи этого вида преодолевали за год и более 80 тысяч километров. — Прим. пер.

67

Термин «антропоцен» ввел американский ботаник Юджин Стормер, но слово стало популярным после работ Крутцена. Сейчас ученые обсуждают, с какого момента логичнее отсчитывать антропоцен: с начала атомной эпохи, с начала промышленной революции в XVIII веке или с неолитической революции 12 000-15000 лет назад. — Прим. пер.

68

В настоящее время, в метеоритном веществе описано 470 минералов по [Rubin, Ма, 2020], среди которых 79 эндемиков, то есть минералов, пока встреченных только в метеоритах. — Прим. науч. ред.

69

Сейчас известно более 5000 минералов, каждый год открывается около 120 новых минеральных видов. — Прим. науч. ред.

70

В периодической таблице сейчас 118 элементов. Автор подразумевает, что в природе не встречаются элементы тяжелее урана (имеющего номер 92). Трансурановые элементы и 61-й элемент, прометий, могут быть только техногенными, так как все изотопы этих элементов радиоактивны и имеют небольшой период полураспада. — Прим. пер.

71

Следует упомянуть, что рентабельность зависит от стоимости ресурсов, а поэтому, строго говоря, нет нужды даже в техническом прогрессе. Скажем, как только цена на нефть поднимается, число рентабельных нефтяных месторождений автоматически вырастает. Классический пример — некоторые нефтеносные пески Канады, которые даже не учитывались в мировых запасах нефти из-за их малой продуктивности. Но как только цены на нефть взлетели, разработка битуминозных песков стала экономически выгодной, и Канада резко поднялась в списке стран, обладающих наибольшими запасами нефти. — Прим. пер.

72

Джон Тиндаль изучал поглощение инфракрасного излучения Земли различными газами в атмосфере. Измерив поглощение, он пришел к выводу, что основным газом, управляющим температурой воздуха, является водяной пар, а остальные газы вносят существенно меньший эффект. — Прим. пер.

73

Супербоул — финальная игра за звание чемпиона Национальной футбольной лиги (американский футбол). Одно из самых значимых ежегодных спортивных событий в США. — Прим. пер.

74

Практически еще не изучены последствия техногенных загрязнений, которых не было до появления современной промышленности. К ним относятся мельчайшие частички пластмасс, разливы бензина и нефти, заражения местности токсичными техногенными веществами, последствия захоронения радиоактивных отходов. — Прим. науч. ред.

75

Отсылка к фразе, приписываемой английскому альпинисту Джорджу Мэллори. Когда его спросили, почему он хочет подняться на Эверест, Мэллори ответил: «Потому что он существует». — Прим. пер.

76

Так называемый эффект Синьора — Липпса: поскольку палеонтологическая летопись всегда неполна, то ни первый, ни последний (по времени) организм в конкретном таксоне практически наверняка не будет зарегистрирован в виде окаменелостей. Назван в честь предложивших этот принцип в 1982 году Филиппа Синьора и Джере Липпса. — Прим. пер.

77

Джон Тиндаль изучал поглощение инфракрасного излучения Земли различными газами в атмосфере. Измерив поглощение, он пришел к выводу, что основным газом, управляющим температурой воздуха, является водяной пар, а остальные газы вносят существенно меньший эффект. — Прим. пер.

Content

Дуг Макдугалл
Зачем нужна геология
краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Предисловие к русскому изданию

Предисловие

Благодарности

Глава 1 Увековечено в камне

Глава 2 Создание нашей планеты

Глава 3 Близкие контакты

Глава 4 Первые два миллиарда лет

Глава 5 Блуждающие плиты

Глава 6 Шаткие основания

Глава 7 Горы, жизнь и большой холод

Глава 8 Холодные времена

Глава 9 Великое потепление

Глава 10 Чтение по губам

Глава 11 Беспокойные гиганты

Глава 12 Плывем, ползем и летим к настоящему

Глава 13 Зачем нужна геология

Библиография и рекомендуемая литература

Указатель

Примечания