История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие

Рис. 2.1 (A) Ледяной человек Этци и (B) его топор с медным лезвием. Источник: Wikimedia Сommons

В начале своей эволюции люди изготавливали оружие и инструменты из камней – например, из кремня и обсидиана. Исторический период, когда гоминиды сделали этот шаг в своей культуре, называют каменным веком; он начался свыше 2 млн лет назад. Его первый период – палеолит (древнекаменный век), а последний – неолит (новокаменный век). Однако у каменных орудий есть свои ограничения: они хрупкие, по сравнению с металлическими им сложнее придавать какую-либо форму. Медные орудия стали первой вылазкой человечества из каменного века, этот период нарекли энеолитом, или медным веком. Затем последовали инструменты и оружие из бронзы – сплава меди с оловом, начался бронзовый век. Эти металлы позволили изготавливать более легкие и острые орудия, которые лучше держали заточку. У войск с металлическими мечами и наконечниками копий было большое преимущество перед противниками; так появились великие империи, основанные на использовании металлов. Кроме того, металлические инструменты тесно связаны с оседлым образом жизни сельскохозяйственных поселений. Безусловно, металл облегчал жизнь в этих сообществах, однако для его поиска требовалось больше навыков и ресурсов. Каменные орудия можно подобрать практически где угодно, а вот обработка металлов – особое умение, которое можно освоить только в крупных сообществах, где есть мастера, занимающиеся этим делом, и торговые связи, позволяющие получать сырье.

В отличие от большинства химических элементов, медь встречается в чистом виде (это же характерно для золота, серебра, серы и углерода в форме графита). Самородная медь часто существует в виде огромных кристаллов (рис. 2.2). В мире известно несколько природных месторождений меди: например, Верхний полуостров Мичигана, откуда ледники часто перемещали металл по Среднему Западу Соединенных Штатов. Некоторые ранние медные инструменты изготавливали из чистой самородной меди, которую можно было обрабатывать простой холодной ковкой. Культуры, использовавшие орудия труда из самородной меди, существовали минимум 11 000 лет назад, а найденному на Ближнем Востоке медному украшению в форме подвески – 10 700 лет. Следующий шаг относится к моменту, определяемому как 7500 лет назад: в Сербии был обнаружен топор, сделанный из меди, которую очистили с помощью плавки.

Рис. 2.2 Самородная медь. Источник: Shutterstock

Медный век оказался переходным периодом между каменным веком и бронзовым и в разных регионах приходился на разное время: примерно 4800 лет назад в Китае, 5000 лет назад в Шумере и Египте, 4280 лет назад в Северной Европе и, возможно, 5000 или даже 8000 лет назад в северном Мичигане. Ледяной человек Этци нес самое ценное свое имущество – топор с медным лезвием, состоявшим из меди чистотой в 99,7 %. В его волосах обнаружено много мышьяка, а это позволяет предположить, что при жизни Этци занимался выплавкой меди. Европейская культура боевых топоров доминировала во многих регионах примерно 7500–5300 лет назад, а затем на Ближнем Востоке начали производить гораздо более прочные бронзовые орудия (для которых сплавляли медь и олово). Так начался бронзовый век. Однако спрос на медь сохранился, ведь она основной компонент бронзы.

Медный остров

В Античности медь все еще широко использовалась, хотя к тому времени уже научились очищать железо и другие металлы. Греки именовали медь словом χαλκóς (халькос); ее добывали всего в нескольких регионах Средиземноморья. Римляне называли медь aes Cyprium – «металл с Кипра», потому что в то время именно этот остров был крупнейшим ее месторождением. Отсюда появилось латинское слово cuprum, обозначающее медь, которое позже использовали алхимики, и химическое сокращение для этого металла – Cu. В Античности Кипр считался «островом меди».

По сути, в древности Кипр был важным местом не только из-за своего стратегического положения в восточном Средиземноморье, но и из-за богатых минеральных ресурсов. Есть свидетельства того, что культуры охотников-собирателей существовали на острове более 12 000 лет назад, и на Кипре же обнаружены некоторые из самых старых все еще используемых колодцев: им 10 500 лет. Древние племена, по-видимому, способствовали исчезновению здешних млекопитающих ледникового периода, таких как карликовые бегемоты и карликовые слоны (для Кипра, как и для других островов, например Мадагаскара и Крита, характерна островная карликовость – постепенное уменьшение размера животных тех или иных видов). Могилы людей и их домашних кошек на Кипре относят примерно к 9500-м гг. до н. э., то есть они старше всех египетских мумифицированных кошек. Крупное неолитическое поселение Хирокития появилось примерно 8800 лет назад, и это один из старейших, хорошо сохранившихся памятников неолита.

В течение нескольких последующих тысячелетий Кипр захватывали почти все державы Древнего мира – в первую очередь ради меди. Около 1400 г. до н. э. здесь появились представители микенской цивилизации; вторая волна вторжения произошла в середине XI в. до н. э., когда эта греческая культура таинственным образом исчезла в других местах. Кипр играл важную роль также в микенской и в греческой мифологии. Считается, что здесь на берегу из морской пены родилась Афродита, здесь же появился и Адонис. Именно на Кипре легендарный скульптор Пигмалион создал свой шедевр – Галатею, которую боги в награду мастеру превратили в настоящую женщину. Киприотом был основоположник стоической философии Зенон из Китиона, который около 300 г. до н. э. принес идеи стоицизма в Афины.

К VIII в. до н. э. на южном побережье Кипра появились финикийские колонии, использовавшие для вывоза ценной меди из рудников всю мощь финикийской морской торговой державы. В 708 г. до н. э. остров завоевала Ассирийская империя; затем ассирийцы уступили его египтянам, которых в 545 г. до н. э. сменили персы. Во время Ионийского восстания греческих городов, начавшегося в 499 г. до н. э., жители острова тоже поднялись против Персидской империи: их предводителем был Онесил, царь города Саламин. Восстание подавили, однако остров остался в основном греческим по культуре и в значительной степени автономным. Греки на острове приветствовали появление Александра Македонского, изгнавшего персов в 333 г. до н. э. Когда Александр умер и его царство была разделено между его полководцами, Кипр стал частью эллинистического птолемеевского Египта. Наконец, в 58 г. до н. э. на остров вторглись римляне, и он оставался частью Римской империи (а позже ее преемницы – Византийской империи) до тех пор, пока английский король Ричард Львиное Сердце не захватил его во время Третьего крестового похода в 1191 г. Ричард использовал Кипр как базу для своих попыток завоевать Святую Землю, а позже продал остров рыцарям-тамплиерам, которые в свою очередь перепродали его бывшему королю Иерусалима Ги де Лузиньяну. После смерти последнего короля из династии Лузиньянов в 1473 г. остров перешел под контроль Венеции; так продолжалось до 1570 г., когда полномасштабное вторжение 60-тысячной османской армии отдало Кипр под власть мусульман. Несмотря на то что на протяжении истории Кипром правили многие народы, кровавые времена в его судьбе в значительной степени основывались на противоречиях между его древней греческой культурой и более поздней мусульманской культурой, доминировавшей после османского завоевания. В 1974 г. остров был разделен надвое: на северо-востоке появилась Турецкая Республика Северного Кипра (признанная только Турцией), в то время как в Республике Кипр на юго-западной части острова преобладает греческая культура.

Слайс океана[9]

Что сделало Кипр самым богатым источником меди в античном мире, превратив его в цель стольких сражений и вторжений? Медь собирали на острове еще 6000 лет назад: почти чистая медь просто лежала на земле. Но этих залежей надолго не хватило, и вскоре первые жители острова нашли источник происхождения этой поверхностной меди – офиолиты гор Троодос в центральном Кипре.

Термин «офиолит» для описания специфических горных пород, найденных в Альпах, предложил в 1813 г. выдающийся французский естествоиспытатель Александр Броньяр. Слово происходит от греческого ὄφις («змея»), поскольку такие образования, в основной своей части возникшие как лавы черных базальтов на морском дне, напоминали гладкую и блестящую змеиную кожу. Затем они метаморфизовались, сохранив при этом сходство с кожей змеи, и получили название серпентинитов (на этот раз от латинского обозначения змеи – serpens). Офиолиты были обнаружены на Кипре в 1968 г., а затем и в других местах – таких, например, как Греческая Македония и Оман. Они всегда образовывали странную, но предсказуемую последовательность пород. Верхняя часть толщи была сложена океаническими осадками, которые подстилались лавами, формировавшимися в виде пухлых выпуклостей, отсюда их название – «подушечные лавы» (рис. 2.3A). В то время никто не знал их происхождение, но сегодня мы можем наблюдать, как они всякий раз образуются при подводных извержениях. Если вы введете словосочетание «извержение подушечных лав»[10] в любой поисковой системе, то найдете много видео этих бурных выбросов. По мере того как подводный лавовый поток продвигается под толщей океана, всё новые порции горячей лавы прорываются через трещины в остывающей затвердевшей внешней оболочке, вытекая наружу, словно из тюбика с горячей зубной пастой (рис. 2.3B). В результате закалки и охлаждения морской водой эти частицы докрасна раскаленной лавы мгновенно превращаются в холодную и черную породу с шаровыми или подушечными формами.

Рис. 2.3 (A) Подушечные лавы, образованные подводными извержениями, к западу от пирса поселка Порт-Сан-Луис (Калифорния). Фото автора. (B) Подушечные лавы, извергающиеся под водой. Источник: Wikimedia Сommons

Непосредственно под слоями подушечных лав находились массивы сближенных вертикальных плит застывшей лавы, известные как пластинчатые (или параллельные) дайки (рис. 2.4). В течение десятилетий никто не знал причины их образования, но со временем геологи поняли, что они представляют собой тела заполнения застывшей лавой гигантских вертикальных трещин в земной коре. Магма вытекала через такие трещины, питая подушечные лавы, а затем быстро застывала и охлаждалась в них с образованием вертикальных лавовых «ребер» – тех самых пластинчатых даек. Под подушечными лавами и пластинчатыми дайками располагались древние магматические камеры с застывшей магмой, заполненные породами, известными как расслоенные, или полосчатые, габбро[11], которые имеют тот же химический и минералогический состав, что и вышележащие базальты. Расплав, давший начало этим породам, медленно остывал в магматической камере, а не извергался в виде лавы, поэтому слагающие ее кристаллы оказывались намного крупнее, чем в вулканических породах. Наконец, многие офиолитовые комплексы в своих нижних слоях содержали перидотиты – породы, которые, как мы теперь знаем, представляют собой пластины-слайсы (слои) верхней мантии.

Рис. 2.4 Пластинчатые (параллельные) дайки на Кипре. Источник: Wikimedia Сommons

Таинственные офиолитовые породы Кипра и других областей были закартированы и описаны более 150 лет назад, но, повторяю, никто не мог объяснить, как образовались такие любопытные породные ассоциации. Ответ появился только в конце 1960-х гг. благодаря революционной концепции тектоники плит (о чем подробно пойдет речь в главе 8 и далее). Геологи начали понимать, что, когда дно океана расширяется за счет раздвижения океанических плит в стороны от оси срединно-океанического хребта, естественным продуктом такого процесса (спрединга) оказываются офиолиты (рис. 2.5). Верхняя часть расширяющейся коры должна состоять из подушечных лав, образующихся магмой, достигшей морского дна и застывшей под толщей воды. Под этими лавами будут располагаться вертикальные трещины, получившиеся в результате горизонтального раздвижения коры и заполнявшиеся лавой с образованием пластинчатых даек. А источником всего этого вулканического материала являлись глубоко расположенные магматические камеры с расслоенными габбро; некоторые офиолиты, встречающиеся еще ниже, могут содержать даже слайсы верхней мантии.

Рис. 2.5 Образование офиолитового комплекса в срединно-океанических хребтах. Составлено по нескольким источникам

Но как именно породы, образовавшиеся на самом дне океана, оказались на суше – например, на Кипре? Это тоже результат тектоники плит. Когда две плиты сталкиваются, одна из них (сложенная океанической корой) обычно сдвигается под другую и погружается в мантию в зоне этого столкновения (субдукции). Оконечность плиты (слэб) соскальзывает в мантию обычно плавно и спокойно, но покрывающие слэб осадочные породы океанического дна при этом в значительной мере срезаются, соскребаются и пристают к вышележащей плите, образуя аккреционную[12] призму или аккреционный клин. Иногда от опускающегося слэба отделяется и вдавливается в аккреционную призму слайс самой океанической коры. Это можно заметить в офиолитах Калифорнии, в западных предгорьях Сьерры, в горах Кламат и особенно в хребтах Тихоокеанского побережья, которые образовались, когда Калифорния была зоной субдукции. Офиолиты также образуются при столкновении двух континентов, когда разделявшая их океаническая кора захватывается и выдавливается вверх в формирующийся горный пояс. Именно так произошло на Кипре, когда Африканская плита столкнулась с Анатолийской плитой Евразии.

На дне океана

Возникновение офиолитов в срединно-океанической зоне спрединга было подтверждено многочисленными измерениями и наблюдениями за современными океаническими хребтами в 1970-х гг. Но почему офиолиты, подобные кипрским, богаты такими полезными ископаемыми, как медь? Эту загадку решили в 1977 г., когда на дне океана было сделано поразительное открытие. Используя небольшую исследовательскую подводную лодку «Алвин», которая могла погружаться почти на 4800 м, ученые Океанографического института Вудс-Хоул часами исследовали морское дно в пределах срединно-океанических хребтов.

На таких глубинах стоит сплошная чернильная тьма. Температура воды чуть выше нуля, а давление доходит до 400 атмосфер, то есть в 400 раз превышает атмосферное давление на уровне моря. Оно раздавило бы судно, если бы субмарина не была специально рассчитана на такие погружения. Специалистов, управлявших «Алвином», ждали не только обширные участки подушечных лав, но и гораздо больший сюрприз – они увидели перегретые струи (плюмы) черной, сильно минерализованной кипящей воды, которые вырывались из трубообразных формирований, состоящих из сульфидных минералов типа пирита (сульфида железа с формулой FeS2, известного также как «золото дураков») (рис. 2.6). Эти гидротермальные источники получили название «черные курильщики». Их трубы образовались, когда холодная морская вода просачивалась через трещины в горячую магму внизу, затем закипала и поднималась вверх в виде горячих черных струй, несущих сульфидные минералы. Они включали не только пирит, но и сульфиды меди (ковеллин, CuS; халькозин, Cu2S; халькопирит, CuFeS2), сульфиды цинка, сульфиды свинца, а также марганец, серебро, золото и другие рудные минералы. Перегретая вода, просочившаяся через трещины в земную кору, растворяла эти вещества, а затем они – при встрече с холодной морской водой – начинали кристаллизоваться и осаждаться из горячих растворов.

Рис. 2.6 Перегретая морская вода в срединно-океанических хребтах создает струи (плюмы) кипящей воды, насыщенной растворенными минералами, которые выпадают в осадок и образуют трубы «черных курильщиков». Источник: Wikimedia Сommons

Еще более удивительным было то, что «черные курильщики» поддерживали целое сообщество организмов, ранее совершенно неизвестных науке. Там обитали гигантские моллюски величиной более метра, длинные трубчатые черви, странные крабы-альбиносы и другие существа, которых никогда раньше не видели. Я хорошо помню, как посетил один семинар в Вудс-Хоуле в 1978 г., когда работал над дипломом, и увидел этих диковинных животных, которых ученые впервые показывали своим коллегам.

Со временем специалисты поняли, что все эти необычные создания представляют собой уникальное биологическое сообщество, встречающееся только в глубоководных источниках срединно-океанических хребтов. В отличие от большинства экологических сообществ, у которых пищевая цепь основана на растениях, преобразующих солнечный свет в органическое вещество с помощью фотосинтеза, обнаруженные ассоциации живых организмов существовали в мире без солнечного света. Их пищевая цепь начиналась с сульфатредуцирующих бактерий, которые живут в перегретой морской воде, богатой серой, и преобразуют энергию горячих источников в углерод с помощью хемосинтеза. Все животные, находящиеся выше в этой пищевой цепи, питались либо непосредственно этими бактериями, либо более мелкими организмами, которые данных бактерий поедали. Таким образом, школьное утверждение, что в основании всех пищевых пирамид лежат растения, неверно для дна океана. Там вместо фотосинтетических сообществ, основанных на растениях, существуют сообщества хемосинтетические, основанные на бактериях.

«Черные курильщики» также дали разгадку богатых медью офиолитов Кипра. Они естественным образом концентрируют минеральные вещества, такие как железо, медь, цинк, свинец, марганец, сульфиды других металлов. Перегретая вода растворяет эти соединения, а затем они осаждаются в трубах. Стало быть, древние добытчики меди на Кипре, не ведая того, получали свои богатства от какого-то фрагмента юрского морского дна с древними «черными курильщиками» – фрагмента, который был поднят на вершины гор Троодос в результате тектоники плит.

03. «Оловянные острова» и Бронзовый век

Касситерит

Бронза была таким же ценным сырьем, как нефть сегодня.

Археолог Кристиан Кристиансен

На край земли

В древние времена морские плавания были опасным делом. Корабли не могли уходить далеко от берега; небольшие паруса или команда рабов на веслах не позволяли двигаться быстро; карты у мореплавателей были плохими. Большинство древних цивилизаций относились к сухопутным и отправляли в сражения армию, а не флот. Масштабную морскую культуру развили только несколько народов – например, финикийцы в восточном Средиземноморье или греки, плававшие между своими многочисленными островами. Но даже такие морские народы, как финикийцы, у которых появились первые приличные карты, не имели возможности определять свою долготу и тем самым точно устанавливать собственное местонахождение. Поэтому в открытом море они перемещались только на небольшие расстояния, по мере сил стараясь прижиматься к берегу.

Римляне завоевали все земли, окружавшие Средиземное море, и называли его Mare nostrum, «наше море», потому что правили на всех его берегах. Появившееся в III в. латинское название Mare Mediterraneum буквально означало «Море посреди земли» из-за расположения в центре Римской империи. Тем не менее военный флот использовали ограниченно; римляне больше полагались на свои хорошо обученные легионы.

Очень немногие средиземноморские корабельщики осмеливались заходить в неведомые воды Атлантического океана, который для народов того времени был краем Земли. Действительно, название океана происходит от древнегреческого мифа о титане по имени Атлант или Атлас, который держал на своих плечах небесный свод; его же имя носят горы Атлас к югу от Гибралтарского пролива. Две скалы, обрамляющие этот пролив (Гибралтар в Испании и Джебель-Муса в Северной Африке), известны как Геркулесовы столбы, что отражает греческий миф о Геракле, который во время одного из своих 12 подвигов ненадолго принял ношу Атланта. Все, что располагалось дальше этих коварных вод, считалось царством неизвестного. Это одна из причин, почему Платон поместил свою мифическую Атлантиду за Геркулесовыми столбами.

Однако морские нации, открывшие месторождения меди на Кипре (см. главу 2), отчаянно нуждались и в другом металле – олове. В древнем мире оно имело колоссальное значение: при соединении с медью (5–20 % от ее доли) образуется бронза – сплав, который тверже, чем любой другой металл, известный в то время, и который проще обрабатывать, чем олово или медь по отдельности. Этот первый металлический сплав можно было превратить в превосходные инструменты и оружие. Так начался бронзовый век.

Олово настолько редко встречается в Европе, что спрос на него был крайне велик. Многие торговцы преодолевали в его поисках большие расстояния – особенно после того, как истощились месторождения в Средиземноморье. Финикийцы первыми добрались до месторождений олова на юго-западе Британии, а источник их оловянных богатств стал строжайшей тайной. По легенде, капитан корабля из Карфагена (финикийского города-государства, расположенного на территории современного Туниса) предпочитал разбить свое судно, нежели рисковать тем, чтобы его выследили греческие, а позже и римские корабли, обнаружив утаиваемый источник этого драгоценного металла. Греки, сражавшиеся с финикийцами за контроль над Средиземным морем, знали о легендарных «Оловянных островах», которые они называли Касситеридами, но не представляли их местоположение (рис. 3.1). Как показывают многие карты, мореплаватели считали, что Касситериды – это острова, а не часть той суши, которую затем открыли восточнее и нарекли Бреттанией. Впервые в истории о Британских островах упоминается именно как об «Оловянных островах».

Рис. 3.1 Карта античного мира из «Географии» Страбона (примерно 18 г. до н. э.), на которой Касситериды показаны в виде островов, отделенных от «Бреттании» – именно так в древности воспринимали Корнуолл. Источник: Wikimedia Сommons

Тем не менее античные авторы активно обсуждали легендарные источники финикийского олова. Уже в 500 г. до н. э. Гекатей Милетский писал о землях за Галлией, где добывали этот металл. Около 325 г. до н. э. Пифей из Массалии добрался до Британии, где, согласно сообщениям о его путешествии[13], обнаружил процветающую торговлю оловом. Греческий астроном и географ Посидоний упоминал о торговле оловом с Британией около 90 г. до н. э.

Многие ученые позже размышляли, где располагались реальные Касситериды. Некоторые авторы отождествляли их с островами Силли и видели в этом доказательство того, что финикийцы торговали с Британией. Однако на архипелаге Силли нет добычи полезных ископаемых – если не считать небольшие разведочные работы. Позднее стало ясно, что «острова Касситериды» в действительности были полуостровом Корнуолл на западной оконечности Британии, а не островами.

Древнегреческий историк Диодор Сицилийский так описывал в I в. до н. э. добычу олова в Британии:

Жители Британии, обитающие у мыса Белерий, отличаются исключительным гостеприимством, нравы же их по причине присутствия иноземных купцов мягкие. Олово они получают, умело обрабатывая рудную породу. Порода эта каменистая с землистыми прожилками, из которых посредством обработки и плавки удаляют руду. Придав олову форму бабок, его доставляют на остров, который находится перед Британией и называется Иктис, причем во время морских отливов дно здесь обнажается, и олово в огромных количествах перевозят сюда на повозках[14].

Олово на юго-западе Британии (в Девоне и Корнуолле) добывали еще в 2100 г. до н. э., в основном этим занимались местные кельтские племена. Они торговали с финикийцами, прибывшими из мест, где сейчас находятся Ливан и Сирия. Позднее торговлей оловом из Корнуолла занимались венеты – кельтское племя с полуострова Бретань на северо-западе Франции, которое тоже пользовалось древним корнским (корнийским) языком и имело общую с Корнуоллом культуру. Юго-запад Великобритании никогда не покрывался ледниками, поэтому рудные залежи находятся близко к поверхности: их не сносил натиск льда и не закрывали ледниковые наносы. Руда встречалась даже в галечнике ручьев и рек: именно этими месторождениями люди стали пользоваться раньше всего, но со временем горняки начали делать короткие траншеи прямо в рудных телах.

Добыча олова продолжалась здесь в Античности, в Средние века и вплоть до ХХ столетия. Она была настолько важна, что в 1305 г. король Эдуард I учредил специальные станнарные[15] суды и станнарные парламенты только для управления деятельностью оловянных рудников и ее регулирования. На протяжении веков эти органы были основными формами управления в Девоне и Корнуолле. Металл добывали так: соскребали поверхностные отложения из глубоких траншей и дробили их в штемпельной мельнице с приводом от водяного колеса. Затем измельченную руду плавили и заливали в емкости из гранита, получая грубые слитки олова. Их доставляли в станнарные суды для взвешивания и определения пробы.