Зачем нужна геология. Краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Дуг Макдугалл

Зачем нужна геология

Краткая история прошлого и будущего нашей планеты

WHY GEOLOGY MATTERS:

Decoding the Past, Anticipating the Future

by Doug Macdougall

Copyright © 2011 by The Regents of the University of California

This edition published by arrangement with Taryn Fagerness Agency and Synopsis Literary Agency

Серия «Кругозор Дениса Пескова»

© Поникаров Е.В., перевод на русский язык, 2022

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2022

* * *

Шейле, как всегда

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

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 диаметров 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.