В поисках древних континентов
Совершим путешествие почти на 2 миллиарда лет в глубь истории нашей планеты. Тогда ее облик был непривычен. Посреди океана, населенного лишь сине-зелеными водорослями и бактериями, лежал один-единственный материк. Он простирался на 12 тысяч километров, достигая в поперечнике 5 тысяч километров. Так предполагает американский геолог Джон Роджерс. По его расчетам, этот суперконтинент появился 1,7 миллиарда лет назад.
Впервые о существовании этого материка заговорил немецкий геолог Ханс Штилле в 1944 году. Позднее стали появляться тому доказательства. Материк даже окрестили Мегагеей. Наконец, в 2002 году Роджерс описал забытый материк, дав ему новое имя, в своей статье «Конфигурация Колумбии, суперконтинента среднего протерозоя».
Облик Колумбии он прихотливо составил из современных континентов и островов. В ту пору западное побережье Индии граничило с западным побережьем Северной Америки; Южная Австралия примыкала к Канаде, а восточное побережье США – к Западной Бразилии. Гренландия оказалась соседкой Сибири, как та же Индия – Антарктиды.
Гипотезу Роджерса подкрепляет и статистика геологов. Около 1,8—1,7 миллиарда лет назад в разных частях света образуются мощные горные цепи. Возможно, они возникают при столкновении отдельных частей суши, сливавшихся в одно целое. Однако суперконтинент оказался неустойчив и начал распадаться на части примерно 1,5 миллиарда лет назад. Это время характеризуется очень интенсивным образованием магматических пород – верный признак того, что земная кора растягивалась и континенты отдалялись друг от друга.
Их последующее местоположение ученые воссоздают, используя метод палеомагнитного анализа. Он помогает понять, где родилась – допустим, возникла из застывающей лавы – та или иная порода. Как известно, минералы, обладающие магнитными свойствами, в момент своего рождения ориентируются вдоль магнитного поля Земли. Лава застынет, пройдут миллионы лет, но эти минералы все так же будут указывать направление магнитного поля в далеком прошлом. А зависит оно от географической широты, ведь на любой широте Земли своя инклинация (магнитное наклонение) – свой определенный угол между вектором напряженности геомагнитного поля и земной поверхностью. Зная возраст минерала, можно определить, на какой широте он находился в то время, когда возник.
Реконструкция Родинии (1,1млрд лет назад)
Впрочем, «магнитный справочник» весьма неполон. В него не вписаны объекты, чей возраст превышает 1,1 миллиарда лет. Почти все более древние породы расплавились и утратили прежние магнитные метки. И все же этот «справочник», запечатленный в камне, – если заглянуть и пролистать его, – помогает понять, как выглядела Земля около миллиарда лет назад. Тогда все части света вновь соединились. Они напоминали россыпь виноградин, повисшую на веточке. Новый суперконтинент назвали Родинией. В этом имени угадывается до боли знакомое русское слово. В самом деле, этот древний континент назван так в честь Родины – может быть, родины жизни.
К моменту возникновения Родинии почти всю нашу планету – от 90 до 95 % ее поверхности – покрывал гигантский океан (сегодня на долю Мирового океана приходится лишь 70 % поверхности Земли). С появлением Родинии разительно изменились и морские течения, и климат. Именно тогда, по предположению американского геолога Эйдриджа Муреса, на Земле впервые установилась смена времен года.
Ввиду изменения климата стало меняться и содержание кислорода в атмосфере. Через 500 миллионов лет это привело к взрывному распространению жизни на нашей планете.
Появление Родинии было отмечено катастрофами. Это виноградинки вырастают бесшумно, а острова или материки, согнанные вместе работой земного «конвейера», что есть силы сшибались. После каждой сшибки на месте недавнего зазора поднимались горы. Остатки той горной цепи протянулись почти по всему востоку США. Здесь древний хребет обрывается, чтобы продолжиться… на востоке Антарктиды и, возможно, в Австралии.
В истории Родинии по-прежнему много неясного. Вопросы вызывает и ее хронология, и расположение в ее составе нынешних континентов. Предложено несколько моделей, реконструирующих ее облик. Наиболее популярные модели носят названия SWEAT (Southwest US – East Antarctica), AUSWUS (Australien – western US) и AUSMEX(Australien – Mexico). Во всех этих моделях основу Родинии составляет древнейший континент Лаврентия. Он охватывал отдельные области современной Гренландии, Северной Америки и Восточной Сибири.
В модели SWEAT к юго-западной оконечности Лаврентии (та находилась примерно там же, где сейчас – Северная Америка) примыкала Антарктида, которая, в свою очередь, соединялась с Австралией. В модели AUSWUS Австралия примыкала к западному побережью Лаврентии, Антарктида опять же соединялась с Австралией, но лежала заметно южнее, а потому не соприкасалась с Лаврентией. Наконец, в модели AUSMEX Австралия лежала далеко к югу от Лаврентии, но все-таки два континента – Австралия и Лаврентия – соприкасались друг с другом на широте современной Мексики.
В 2009 году С. Богданова, С. Писаревский и Чжу Ли раскритиковали все три модели на страницах журнала Stratigraphy and Geological Correlation. По их мнению, с запада к Лаврентии примыкал Южный Китай. Части Южной Америки граничили с восточным побережьем Лаврентии, севернее находилась Балтика. К югу от Лаврентии располагались отдельные области будущей Гондваны, а к северу – Гренландия и Сибирь.
В свою очередь, другие ученые возражают против этой картины. Очевидно, пройдет еще немало времени, прежде чем будет найдена такая конфигурация Родинии, которая удовлетворит всех геологов.
По предположению американского сейсмолога Пола Силвера, с возникновением Родинии тектонические движения плит прекратились. Перестали выбрасывать огненную лаву вулканы. Земная кора стала заметно толще. Это затишье продолжалось около 100 миллионов лет. Потом недра Земли перегрелись настолько, что начались грандиозные вулканические извержения. Это привело к распаду Родинии, и тогда движения литосферных плит возобновились.
Примерно через 150 миллионов лет после своего возникновения Родиния распалась на две части – Северную и Южную Родинию. Вероятно, она была сокрушена мощным потоком магмы, пробившимся из недр Земли.
Вся история континентов на нашей планете – словно покачивание маятника. Взмах влево – материки разбросаны по океанам. Взмах вправо – «камешки» складываются в мозаику, образуя огромный континент. На нашем календаре: 600 миллионов лет до дня сегодняшнего, и маятник повернул в очередной раз. Сформировался еще один суперконтинент – Паннотия. Однако законы глобальной тектоники сокрушили и его.
Следующие названия – Гондвана, Лавразия – уже на слуху и даже на страницах школьных учебников. В конце каменноугольного периода (359—299 миллионов лет назад) два этих материка сблизились вплотную. Возник новый суперконтинент – Пангея. Он протянулся почти на 14 тысяч километров. Почти 100 миллионов лет длилось затишье. Потом Пангея, как подтаявшая льдина, начала трескаться, раскалываться.
Дальнейший дрейф континентов хорошо известен. Возможно, со временем будут подробно изучены и «злоключения» Колумбии. А пока геологи задаются вопросом: «А что было до Колумбии?» Предполагается, что около 3,8 миллиарда лет назад существовала Археогея – «древнейшая Земля»; около 3 миллиардов лет назад – Протогея, «первичная Земля».
Превращалась ли земля в снежный ком?
В позднем протерозое – примерно 750—580 миллионов лет назад – оледенение охватило большую часть планеты, причем, как полагают ученые, в эту эпоху было по меньшей мере два периода продолжительностью от 5 до 10 миллионов лет, когда вся Земля превращалась в «снежный ком» – покрывалась льдами. Даже океаны были скованы километровой толщей льда. Лишь тепло, притекавшее из недр Земли, спасало их от полного промерзания.
Эту гипотезу предложил в 1992 году американский геолог Джозеф Киршвинк. Вскоре она получила популярность, хотя еще и теперь оспаривается учеными. Впрочем, и до Киршвинка высказывались догадки о том, что в истории Земли были эпохи глобального оледенения.
Так, в 1964 году Брайан Харланд из Кембриджского университета опубликовал в нескольких специализированных геологических изданиях результаты своих геомагнитных исследований. Из них явствовало, что в позднем протерозое ледники находились близ экватора. Тогда же советский ученый Михаил Будыко заговорил о «положительной обратной связи»: когда ледники достигнут 30° северной или южной широты, они начнут разрастаться до тех пор, пока вся Земля не будет скована льдами. Дело в том, что в низких широтах солнечные лучи падают на поверхность Земли под таким углом, что большая часть их отражается ото льда и рассеивается. Это приводит к очень быстрому охлаждению планеты. Полное оледенение суши, как показывают расчеты, займет всего несколько десятилетий.
После распада Родинии, в позднем протерозое– примерно 750—580млн лет назад, – оледенение охватило большую часть планеты
Но окончательное становление этой гипотезы связано с именем геолога из Калифорнийского технологического института Киршвинка. Что же убедило его в том, что ледники в тот период простирались вплоть до экватора? Изучив образцы пород, взятые в Австралии, в районе хребта Флиндерс, он увидел, что там есть породы, которые могли возникнуть только в условиях оледенения и что они формировались близ экватора (это показали палеомагнитные исследования). Последующие работы подтвердили его правоту.
В 1998 году Пол Хофман из Гарвардского университета опубликовал на страницах Scienceрезультаты изучения карбонатных пород в Намибии, относившихся к эпохе позднего протерозоя. Как выяснилось, в них содержалось крайне мало изотопа углерода-13. Это можно было также объяснить оледенением планеты и тем, что всякая биологическая активность в этот период почти прекратилась. Ведь при заметном увеличении биомассы возрастает и количество изотопа углерода-13 в карбонатах.
Наконец, в марте 2010 года журнал Scienceсообщил, что ученые из Принстонского университета установили, что 716,5 миллиона лет назад ледники достигли экватора. Так еще раз подтвердилась правота этой странной гипотезы.
Что же вызвало такое мощное оледенение? Предположительно главной причиной было то, что громадный континент – Родиния – разломился на отдельные части. Теперь осадки выпадали во всех уголках суши. Прежде же центральная область Родинии представляла собой обширную пустыню, где почти никогда не шли дожди и не выпадал снег. Дождевая вода содержит углекислый газ. Проникая в почву, этот парниковый газ вступает в реакцию с содержащимися здесь веществами и таким образом связывается, извлекается из атмосферы. По этой причине в эпоху позднего протерозоя содержание углекислого газа в атмосфере уменьшалось, а потому понижалась и средняя температура на Земле. В конце концов, вся ее поверхность постепенно покрылась льдами. Такова в общих чертах эта гипотеза.
Канадский геофизик Грант Янг считает, что причина оледенения в тропиках была другой. Земная ось в ту пору была наклонена не на 23°, а на 54°. В таком случае в районе экватора будет холоднее, чем на полюсах. И может быть, оледенение ограничивалось именно тропической областью, в то время как в полярных областях установился жаркий климат? В самом деле, изучая ледниковые отложения, геологи обнаруживают характерные структуры, которые свидетельствуют об очень резких сезонных колебаниях климата в ту эпоху – похоже, земная ось и впрямь была наклонена тогда сильнее, чем сегодня.
Отступление ледников чаще всего связывают опять же с процессами глобальной тектоники плит. Вдоль границ плит начались многочисленные извержения вулканов. Это привело к тому, что содержание углекислого газа в атмосфере в 350 раз превысило нынешнюю его концентрацию. На Земле начался «галопирующий парниковый эффект» (не в пример нынешнему!). В то время на планету обрушивались такие страшные ливни и ураганы, что мы с трудом можем себе это представить. Земля была почти не пригодна для жизни.
Пол Хофман полагает, что ледники растаяли буквально «мигом» – менее чем за 100 тысяч лет, хотя геологических свидетельств этому не обнаружено. Предполагается, что после таяния льдов на Земле установился чрезвычайно жаркий климат. Температура доходила до 50 °С.
Еще одна гипотеза гласит, что именно в то время, когда вся планета покрывалась льдами, стали формироваться «колонии клеток» – многоклеточные организмы. Когда же в эдиакарском периоде (635—541 миллион лет назад) наступило потепление, началось и бурное распространение этих организмов. Возникла уникальная экосистема – «сады Эдиакары».
Противники теории «Земля – снежный ком» обращают внимание на то, что она основана на очень небольшом числе фактов. Результаты палеомагнитных исследований пород, относящихся к эпохе протерозоя, крайне ненадежны. Точно так же нельзя уверенно реконструировать, где располагались континенты в интересующую нас эпоху. Многое указывает на то, что в конце протерозоя наблюдались периоды оледенения, но на основании этого нельзя делать вывод о том, что вся Земля на миллионы лет покрывалась льдами.
Кроме того, полное оледенение планеты, продолжавшееся миллионы лет, привело бы к вымиранию всех организмов, вырабатывающих кислород путем фотосинтеза. На Земле сохранились бы только организмы, в основе жизнедеятельности которых лежат совсем другие формы обмена веществ. Конечно, подобные организмы существовали на Земле и в те времена, есть они и теперь, например архебактерии и серобактерии. Однако, по мнению ученых, невозможно представить себе, что могло побудить их после таяния ледников отказаться от привычного способа питания и перейти к фотосинтезу.
Так, может быть, океан тогда не полностью был скован льдами? Так, в 2010 году журнал Geologyсообщил, что в Австралии, в районе того же хребта Флиндерс, были обнаружены образцы пород, которые свидетельствуют, что, по крайней мере, некоторые участки океана были свободны ото льда. Речь идет о породах, которые возникают, когда в открытом море поднимаются штормовые волны. Те выхватывают с морского дна камни и песок, увлекая их за собой, а потом, перенеся свою добычу куда-либо в другое место, оставляют ее, и она оседает на дне, где-нибудь у побережья. Там, среди обычных осадочных отложений, неожиданно обнаруживаются посторонние породы, попавшие сюда издалека. Очевидно, и в период «полного оледенения» сохранялись гигантские «полыньи», по которым перекатывались волны. Именно благодаря подобным оазисам, где имелась жидкая вода и куда проникал солнечный свет, на планете все-таки уцелели древнейшие организмы, населявшие ее.
Вскоре по окончания криогения (850—635 миллионов лет назад) – так называется этот период глобального оледенения – произошел «кембрийский взрыв»: на Земле появились самые разные виды многоклеточных животных.