Горные породы Земли в древние времена

В раннем возрасте, около 4,5 млрд. лет назад, Земля светилась, как неяркая звезда. Жёлто-красные океаны магмы вздымались над её поверхностью каждый раз после столкновения с вращающимися вокруг новорождённого Солнца глыбами, некоторые из них достигали размеров маленьких планет. Двигаясь со скоростью, в 75 раз превышающей скорость звука, такая глыба при ударе о земную поверхность раздробляла, расплавляла и даже испаряла её.

На раннем этапе развития Земли плотное железо опускалось в бурлящей магме, формируя внутреннее ядро, при этом освобождалось столько гравитационной энергии, что её было достаточно, чтобы расплавить всю планету. Мощные удары метеоритов продолжались сотни миллионов лет, оставляя на Земле кратеры диаметром более чем в 1 тыс. км. Одновременно в недрах земли при распаде радиоактивных элементов выделялось тепло, причём в 6 раз быстрее, чем это происходит сегодня.

Чтобы смогли застыть расплавленные горные породы, сформироваться земная кора и континенты, сконденсироваться вода в плотной парообразной атмосфере и смогли возникнуть и развиться примитивные формы жизни, огнедышащая стихия должна была прежде успокоиться. Но как быстро остыла поверхность Земли после её огненного рождения?

Большинство учёных полагают, что сверхжаркий климат господствовал 500 млн. лет. Это подтверждается прежде всего явным отсутствием первозданных пород старше 4 млн. лет и наличием окаменелостей более молодого геологического возраста, свидетельствовавших о появлении жизни на Земле.

Однако за последние пять лет геологи, в том числе и группа из Висконсинского университета в Мадисоне, обнаружили десятки древних кристаллов циркона, химический состав которых изменил наше представление о начальном этапе развития Земли. Эти очень прочные кристаллы, крошечные „капсулы времени“, содержат доказательства того, что, возможно, жизнь в океанах и континенты появились на 400 млн. лет раньше, чем это обычно предполагалось

Затвердение Земли

Начиная с XIX в. учёные пытались вычислить, как быстро остыла Земля, но мало кто из них надеялся найти убедительные подтверждения своим расчётам. Некоторые предположения о более умеренном климате строились на термодинамических расчётах, которые исходили из первоначальной температуры магмы в 1000°С и показывали, что земная поверхность могла затвердеть в течение 10 млн. лет. При остывании планеты нарастающий слой затвердевших горных пород должен был отделить её поверхность от расплавленных глубинных пород.

Если предположить, что были периоды, когда большие метеориты не падали и земная кора была устойчива, а парниковый эффект в атмосфере не задерживал слишком много тепла, то температура на поверхности Земли могла быстро снизиться до значения ниже точки кипения воды. Кроме того, Солнце тогда посылало меньше энергии.

Большинство геологов склонно считать, что бесспорность огненного рождения и скудные геологические данные скорее указывают на продолжительный сверхжаркий климат. Самые древние (4 млрд. лет) из известных первозданных пород -- это гнейсы Акасты на северо-западных территориях Канады. Но они были образованы глубоко в недрах Земли и поэтому не содержат никаких сведений об условиях, существовавших на поверхности.

Большинство исследователей полагали, что адский жар должен был разрушить любые породы, образованные ранее. Самые древние из них, сформировавшиеся под водой, где было относительно прохладно, насчитывают 3,8 млрд. лет. В осадочных породах, выходящих на поверхность на юго-западе Гренландии, в Исуа, сохранились также ранние свидетельства жизни.

В 80-х гг. ХХ в. новая информация о раннем развитии Земли была получена при изучении монокристаллов циркона, тогда несколько их редких зёрен, найденных в Джек-Хиллз и Маунт-Наррьер, в Западной Австралии, оказались самым древним материалом наземного происхождения -- 4,3 млрд. лет.

Но эти кристаллы не могли дать однозначного ответа, поскольку геологи не были уверены в установлении их материнских пород. Кристаллы циркона столь прочны, что могут сохраниться, даже если образующая их порода будет разрушена эрозией. Вода и ветер могут затем перенести зёрна циркона на большие расстояния, прежде чем они станут частью осадочных пород. Так и циркон, найденный в Джек-Хиллз, возможно, был перенесён на тысячи километров от места своего происхождения и заключён в слой крупного песка, сцементированного позже в конгломерат Джек-Хиллз.

Несмотря на открытие частиц первозданной Земли, большинство учёных, в том числе и я, продолжали считать, что климат нашей юной планеты был сверхжарким.

В глубь проблемы

Джек-Хиллз, часть песчаной пыльной равнины, расположен в 800 км к северу от Перта, самого удалённого австралийского города. Конгломерат образовался 3 млрд. лет назад, он находится на северо-западной оконечности широко простирающихся свит горных пород старше 2,6 млрд. лет.

Чтобы добыть менее чем напёрсточек циркона, мои коллеги и я должны были собрать сотни килограммов породы на этих отдалённых обнажениях, привезти их в лабораторию, раздробить и затем отсортировать.

Извлечённые из основной породы отдельные кристаллы могли быть датированы, т. к. циркон -- прекрасный счётчик времени. Помимо свойства долговечности его кристаллы имеют в микроколичестве радиоактивный уран, распадающийся с определённой скоростью до свинца. Когда циркон образуется в затвердевающей магме, атомы циркония, кремния и кислорода соединяются в определённой пропорции (ZrSiO4), создавая уникальную структуру, где уран может участвовать только как примесь. Атомы свинца слишком велики, чтобы заменить элементы в кристаллической решётке, поэтому образующиеся кристаллы циркона свободны от свинца. Часы уран-свинец начинают свой отсчёт, как только рождаются кристаллы циркона.

Таким образом, отношение свинца к урану растёт по мере старения кристалла. Учёные могут достоверно определить возраст нетронутого циркона с точностью до 1%, что для юной Земли означает примерно 40 млн. лет.

Определение возраста кристаллов стало возможным в начале 80-х гг. ХХ в., когда Вильям Компстон (William Compston) со своими коллегами из Австралийского национального университета в Канберре создал специальный ионный микрозонд SHRIMP (Sensitive High-Resolution Ion Microprobe -- чувствительный ионный микрозонд с высокой разрешающей способностью).

Несмотря на то что большинство кристаллов циркона практически невидимы невооружённым глазом, ионный микрозонд столь точно посылает сфокусированный пучок ионов, что тот может выбить небольшое количество атомов с любой заданной части поверхности циркона. Затем масс-спектрометром определяется состав атомов путём сравнения их масс. В 1986 г. группа Компстона вместе с Робертом Пиджеоном (Robert Pidgeon), Саймоном Вильде (Simon A. Wilde) и Джоном Бакстером (John Baxter) из Технологического университета Куртина, Австралия, впервые определили возраст цирконов из Джек-Хиллз.

Зная всю эту историю, я обратился к Вильде. В мае 1999 г. в Куртине он проанализировал с помощью усовершенствованного SHRIMPа 56 кристаллов, 5 из них насчитывали более 4 млрд. лет. К нашему удивлению, самые древние цирконы датировались 4,4 млрд. лет.

Некоторые образцы с Марса и Луны имеют аналогичный возраст (метеориты обычно старше), но ничего подобного мы не ожидали узнать о представителях Земли. Ясно, что если цирконы и существовали столь давно, они бы не уцелели в адских условиях тех времён.

Свидетельства древних океанов

Пек и я обратились к Вильде за западноавстралийскими цирконами, поскольку хотели найти хорошо сохранившиеся образцы древнейшего кислорода Земли. Мы понимали, что циркон мог рассказать не только когда, но и как образовалась основная порода. Чтобы рассчитать температуры процессов образования магмы и горных пород, мы использовали различные изотопные отношения кислорода.

Геохимики измеряют отношение кислорода-18 (18О - редкий изотоп, имеющий 8 протонов и 10 нейтронов, составляет около 0,2% всего кислорода на Земле) к кислороду-16 - (16О - распространённый изотоп, имеющий 8 протонов и 8 нейтронов, составляет 99,8% всего кислорода). Эти изотопы устойчивые, а не радиоактивные и, следовательно, спонтанно не изменяются с течением времени. Однако отношение изотопов 18О к 16О в кристалле будет различным в зависимости от температуры внешней среды в момент его образования.

Пропорция 18О/16О была определена для мантии Земли (слой мощностью в 2 800 км, лежащий непосредственно под океанической и континентальной корой, имеющей толщину 5 - 40 км). Магма мантии сохраняет практически постоянное изотопное отношение. Для упрощения геохимики используют показатель d, приравнивающий данное отношение к соответствующему отношению в морской воде. Для океанов показатель d18О равен 0 по определению, а для циркона мантии он равен 5,3; это означает, что изотопное отношение 18О/16О в мантии больше, чем в морской воде.

Вот почему Пек и я рассчитывали получить значение около 5,3 для первородной мантии, когда забирали австралийские образцы циркона у Вильде в Эдинбургский университет в Шотландии. Там Джон Крейвен (John Craven) и Колин Грэхем (Colin Graham) помогли нам в подборе микрозондов для измерения изотопных отношений.

В результате был проведён анализ образцов, которые были в миллион раз меньше, чем те, что я мог исследовать в моей лаборатории в Висконсине. После 11 дней практически непрерывных анализов, только с маленькими передышками на сон, мы завершили измерения, но наши предположения оказались ошибочными. Значение d18О достигало 7,4.

Мы были ошеломлены. Что могло означать такое большое изотопное отношение? Для более молодых горных пород такой ответ не вызывал бы сомнений, поскольку таких образцов существует много. При низкой температуре на поверхности Земли изотопное отношение может достигать высоких значений, если горные породы вступали в химическую реакцию с дождевой или морской водой. В случае глубинных расплавленных пород большое значение d18О должно было передаться циркону во время кристаллизации в магме.

Следовательно, на поверхности Земли должны были присутствовать вода в жидком состоянии и низкие температуры, чтобы образовались циркон и магма с таким высоким значением d18О, никаких других объяснений не было.

Обнаружение высокого изотопного отношения кислорода в цирконах, найденных в Джек-Хиллз, наталкивает на вывод, что на поверхности Земли должна была существовать вода в жидком виде, по крайней мере, на 400 млн. лет раньше, чем образовались старейшие из известных осадочных пород, образцы которых найдены в Исуа, Гренландия. Если это предположение верно, то, вероятно, существовали целые океаны, смягчающие климат ранней Земли, а условия напоминали сауну.

О чём рассказывают континенты

Можем ли мы делать столь далеко идущие выводы о развитии Земли на основании изучения нескольких маленьких кристаллов? Более чем на год мы отложили публикацию материалов, чтобы ещё раз проверить свои анализы. Тем временем другие исследовательские группы проводили свои изыскания в Джек-Хиллз. Стивен Мойзис (Steven Mojzsis) из Колорадского университета и его коллеги из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе подтвердили наши результаты, и мы опубликовали методику исследований в 2001 г.

Оценка научным сообществом значения свойств циркона окрылила нас. В период становления Земли в чрезвычайно жарких разрушительных условиях не смог бы сохраниться ни один образец горной породы и стать предметом геологического изучения. Но найденные цирконы указывали на более мягкий и знакомый нам климатический мир. Если климат ранней Земли был достаточно прохладен для поддержания океанов, то, возможно, цирконы могут раскрыть тайну существования в те времена континентов и разных известных нам земных форм.

Даже мельчайшие цирконы имеют включения -- инородные элементы, которые могут многое рассказать о происхождении и формировании кристалла. Когда мы изучали цирконы, насчитывающие 4,4 млрд. лет, то обнаружили содержащиеся в них частицы других минералов, в том числе кварца. Это казалось странным, поскольку тот редко встречается в первозданных породах и, вероятно, отсутствовал в изначальной земной коре. Обычно он входит в состав гранитов, характерных для более развитой континентальной коры.

Если австралийские цирконы произошли из гранитов, то это говорит в пользу предположения, что они -- представители первых континентов. Но тут нужна осмотрительность. Кварц может быть образован на последних стадиях кристаллизации магмы, даже если материнская порода не гранит, несмотря на то, что такой кварц встречается гораздо реже.

Так, например, на Луне были найдены цирконы и несколько кварцевых зёрен. Но там никогда не было гранитной коры, похожей на нашу континентальную. Некоторые учёные также задаются вопросом, образовались ли первые цирконы на Земле в условиях, сходных с теми, что были на первоначальной Луне, или под действием сил, связанных с ударами гигантских метеоритов, или под воздействием глубинного вулканизма, но никаких убедительных доказательств тому не найдено.

Тем временем дополнительная информация о континентальной коре была получена при исследовании рассеянных элементов. Чтобы всё это выяснить, надо было пристальнее всмотреться в глубь кристаллов. Цирконы из Джек-Хиллз имеют повышенные концентрации микропримесей, а также включения европия и церия, которые обычно образуются во время кристаллизации земной коры; это означает, что цирконы зародились скорее у поверхности Земли, а не в мантии. Более того, соотношение радиоактивных изотопов неодима и гафния, двух элементов, относящихся ко времени формирования континентальной коры, даёт основание полагать, что большая часть земной коры образовалась 4,4 млрд. лет назад.

Относительное содержание цирконов старше 4 млрд. лет в некоторых образцах с Джек-Хиллз превышает 10%. Кроме того, их поверхность сильно стёрта, а грани закруглены, что даёт основание считать, что кристаллы были перенесены ветром на большие расстояния. Как могли они перенестись с пылью на сотни или тысячи километров? И как могли они не расплавиться, если только образовались не в мантии, а в условиях устойчивой континентальной коры?

Древние цирконы имеют разный возраст, но в пределах одной эры. Арон Кавози (Aaron J.Cavosie) из Университета Пуэрто-Рико, проводя исследования микрозондом, обнаружил экземпляры с возрастом ядра 4,3 млрд. лет, возраст кристалла вокруг которого определялся между 3,7 и 3,3 млрд. лет.

То, что цирконы становятся моложе от ядра к краю, вполне объяснимо, т. к. кристаллы наращивают массу вокруг ядра со стороны граней. Но большая разница с временными пробелами в возрасте между ядром и гранями указывает на наличие двух явлений, разделённых во времени.

В целом можно сказать, что перепад возрастов внутри кристаллов произошёл в результате тектонических процессов, расплавивших континентальную кору и вызвавших их рост. Многие учёные пытаются выяснить, не аналогичные ли условия повлияли на формирование древних цирконов из Джек-Хиллз.

Брюс Ватсон (Bruce Watson) из Политехнического института Ренсселера и Марк Харрисон (Mark Harrison) из Австралийского национального университета сообщили о более низком, чем обычно, содержании титана в древних цирконах, полагая, что магма в этом случае должна была иметь температуру от 650 до 800°С. Столь низкие температуры могли быть, если материнской породой был гранит, ибо большинство негранитных пород плавятся при более высоких температурах, и рождённые в них цирконы должны содержать больше титана.

Вечные цирконы

С тех пор как в 1999 г. мы определили изотопное отношение кислорода в пяти цирконах, поступало всё больше данных, которые убеждали нас в правильности сделанных нами выводов.

Исследователи из Перта, Канберры, Бежина, Лос-Анджелеса, Эдинбурга, Стокгольма и Нанси изучают сегодня десятки тысяч цирконов из Джек-Хиллз с помощью ионных микрозондов в поисках малого числа тех, что старше 4 млрд. лет.

Как сообщалось, в нескольких местах были обнаружены сотни цирконов в возрасте 4-4,4 млрд. лет. Дэвид Нельсон (David Nelson) со своими коллегами из Геологической службы Западной Австралии нашёл аналогичные древние цирконы в 300 км к югу от Джек-Хиллз. Геохимики исследуют другие районы с выходами древних пород в надежде найти первые, старше 4,1 млрд. лет, цирконы за пределами Австралии.

Интенсивные поиски способствуют усовершенствованию технологий. Кавози провёл анализы со значительно большей точностью и сообщил о более 20 найденных в Джек-Хиллз цирконах с высоким изотопным отношением кислорода, свидетельствующем о прохладных температурах на поверхности Земли и воздействии древних океанов 4,2 млрд. лет назад. Мы продолжаем поиски, используя первый ионный микрозонд нового поколения CAMECAIMS-1280, установленный в моей лаборатории.

Первозданные породы, содержащие цирконы, могут дать ответы на многие вопросы. Но даже если образцы таких пород не будут обнаружены, крошечные „капсулы времени“ уже помогли раскрыть много тайн, хранящихся в недрах Земли.