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

мире специалистов по палеомагнетизму, а кроме того, он занимается исследованиями разнообразных проблем на стыке геологии и биологии: от магниточувствительных бактерий и бабочек, биомагнетизма человека, биоминерализации и окаменелостей, содержащих магнитные частицы, до разработки новаторских гипотез кембрийского взрыва, изменения климата, а также геохимического моделирования, полярных путешествий и реконструкции положения материков в древности. А еще Джо изобретает, строит и отлаживает собственное лабораторное оборудование и даже сам пишет компьютерные программы. К тому же он выдающийся, вдохновляющий, расширяющий кругозор учитель, который предлагает своим блестящим студентам в Калтехе раздвигать границы. Он получил премию Фейнмана за преподавание в Калтехе и премию Уильяма Гилберта в области палеомагнетизма, которую вручает Американский геофизический союз. В его честь даже назвали астероид.

В 1989 г. Джо задумался над тем, как же Земля-снежок выходит из состояния полного замерзания, и вернулся к ответу, предложенному Уокером, Хейсом и Кастингом. С Уокером и Кастингом они входили в Исследовательскую группу докембрийской палеобиологии (PPRG), организованную моим хорошим другом Биллом Шопфом из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. В 1989 г. на собрании PPRG Джо не только рассказал об идее вулканизма, но и привел доказательства этой концепции – из моусоновской формации Элатина в Австралии (рис. 16.2). Важнее всего, что именно он ввел броское и запоминающееся обозначение явления – «Земля-снежок»[66], которое сместило акцент с выветривания почвы на вулканы и замерзшую планету.

Рис. 16.3 Отави (Намибия). Геологи Дэн Шраг (слева) и Пол Хоффман стоят на ледниковой формации Гхоб, содержащей ледниковые валуны, и показывают на границу между ледниковыми отложениями и покровными карбонатами. Фото предоставлено Полом Хоффманом (Paul Xoffman)

Поскольку у Джо в распоряжении одна из лучших в мире палеомагнитных лабораторий, он заново определил древнюю широту протерозойских сэндвичей из ледниковых отложений и известняков и продемонстрировал, что многие из них (особенно из моусоновской формации Элатина в Австралии) располагались в тропиках или субтропиках. Эти данные изложены в его короткой статье, упрятанной в огромном дорогущем томе материалов симпозиума PPRG 1989 г., посвященного докембрийской жизни. После многих задержек том в конце концов вышел из печати в 1992 г. (причем цена книги была настолько большой, что лишь немногие ее приобрели или прочитали), и Джо занялся другими задачами. Большинство людей опубликовали бы такую прорывную работу в журналах Nature или Science, но Джо не нужна слава. У него всегда так много отличных идей, что ему не нужно тратить свое время на долгое продвижение любой из них. У концепции Земли-снежка появились название и четкое объяснение действующего механизма. Вскоре за нее взялись другие геологи.

Снежок начинает расти

В 1989 г. геолог из Гарвардского университета Пол Хоффман пересекся на Международном геологическом конгрессе в Вашингтоне с Киршвинком и узнал о его идее Земли-снежка. (Я тоже был на этом конгрессе, но занимался другими научными проблемами.) Когда Хоффман в 1993 г. начал работать с ледниковыми отложениями верхнего докембрия в Намибии, он осознал важность гипотезы Земли-снежка и с 1997 г. стал активно продвигать эту концепцию, поскольку ледниковые отложения Намибии начали в его исследованиях доминировать.

Хоффман – высокий, сухощавый, крепко сложенный бородатый полевой геолог, который предпочитает проводить как можно больше времени в поисках обнажений в канадской Арктике или в намибийских и австралийских пустынях. Он мастерски бегает кроссы, а потому любит пешие походы. Хоффман повидал множество сэндвичей из ледниковых отложений и известняка, относящихся к канадскому протерозою, посвятив большую часть своей карьеры картированию протоконтинентов, которые были архейскими предшественниками Канады. Позже они сбились в протерозойское ядро, а оно стало тем центром, вокруг которого выросла Северная Америка. Хоффман привлек к работе нескольких блестящих специалистов по геохимии (в том числе Дэна Шрага), и вскоре они взбудоражили геологическое сообщество разговорами о Земле-снежке.

Хоффман, Шраг и другие геологи изучили несколько прекрасно обнаженных сэндвичей из ледниковых отложений и известняка – в частности, в пустынях современной Намибии на юго-западе Африки (рис. 16.3). В этом месте на кровле ледникового тилла располагаются особенно мощные и хорошо развитые известняки с примечательными геохимическими и минералогическими характеристиками. Хоффман и Шраг предположили, что эти покровные карбонаты поверх ледниковых отложений – продукты неорганического осаждения известняков, произошедшего после того, как океан, насыщенный растворенными в нем карбонатами, освободился от хватки льда. Это явно не обычные известняки, которые образуются сегодня, осаждаясь в результате органической активности. Современные известняки состоят в основном из раковин кораллов, моллюсков и других морских существ, а также известковых водорослей.

Рис. 16.4 Ледниковые отложения из тилла Гоуганда около озера Гурон в Канаде, соответствующие раннепротерозойскому (гуронскому) оледенению. Они свидетельствуют о раннем состоянии Земли-снежка примерно 2,1 млрд лет назад. Источник: Wikimedia Сommons

Еще один факт, наводящий на размышления, – кратковременное возвращение полосчатых железистых кварцитов (BIF) на пике снежных условий позднего протерозоя. Киршвинк указал, что подобное событие вполне естественно при замерзании Земли: в этом случае закрытые океаны остаются без кислорода и насыщаются растворенными карбонатами, становясь в результате очень кислыми (как это случается с современными океанами из-за парниковых газов). Реки (которые полностью замерзли) не уносят в океан осадочный материал, и поэтому останавливается поступление в воду сульфатов. В результате в этих кислых океанах с низким содержанием кислорода и серы хорошо растворяется железо. В таких обстоятельствах железо вполне могло накапливаться на дне, как это и было в промежутке 3,7–1,7 млрд лет назад (рис. 14.5).

Итак, базовая модель Земли-снежка функционирует следующим образом: какой-то фактор приводит к началу сильного остывания планеты, после чего начинают формироваться огромные ледяные щиты. Поскольку отсутствует современная сложная жизнь, которая регулирует углеродный цикл и выделяет углекислый газ в атмосферу (глава 6), планета входит в цикл обратной связи лед – альбедо и в конечном итоге замерзает от полюсов до экватора. Как только такой шар застывает окончательно, Земля застревает в этом состоянии на миллионы лет – подобно нынешнему Марсу, который полностью заморожен, хотя в прошлом на его поверхности была жидкая вода, создававшая океаны и реки. Океаническая циркуляция прекращается, на бескислородном морском дне накапливаются железистые кварциты, а большое количество углерода оказывается в донных отложениях внутри льдистых соединений – гидратов метана. Что-то должно произойти – иначе Земля осталась бы замороженной, и нас бы на ней не существовало.

Однако, повторим, на Земле, в отличие от Марса и других планет, совершаются тектонические процессы (движение блоков коры) и есть вулканы, которые за долгое время извергли достаточно парниковых газов, чтобы наша планета наконец стала нагреваться. Как только наступал такой момент, снова запускался цикл положительной обратной связи лед – альбедо, а в результате ледяной покров планеты быстро таял и почти исчезал. Гидраты метана на морском дне высвобождали огромное количество метана, что еще