История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие (fb2)

- История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие (пер. Евгений Владимирович Поникаров) 29731K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Дональд Протеро

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

Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Переводчик: Евгений Поникаров

Научный редактор: Михаил Гирфанов, канд. геол. – минерал. наук

Редактор: Виктория Сагалова

Научный консультант: Ольга Смирнова

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Мария Ведюшкина

Арт-директор: Юрий Буга

Дизайн обложки: Алина Лоскутова

Корректоры: Татьяна Мёдингер, Юлия Сысоева

Верстка: Андрей Ларионов

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Donald R. Prothero, 2018

This Russian language edition is a complete translation of the U.S. edition, specially authorized by the original publisher, Columbia University Press

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2025

* * *

Я ПОСВЯЩАЮ КНИГУ ПОТРЯСАЮЩИМ ГЕОЛОГАМ, СДЕЛАВШИМ ЭТИ ОТКРЫТИЯ. ТЕМ, КТО ВДОХНОВЛЯЛ МЕНЯ В МОЕЙ РАБОТЕ. ЭТО:

Альфред Вегенер

Джеймс Хаттон

Чарльз Лайель

Уильям Смит

Артур Холмс

Джерри Вассербург

Юджин Шумейкер

Клэр Паттерсон

Чарльз Дулиттл Уолкотт

Джозеф Киршвинк

Томас Генри Гексли

Аллан Кокс

Гэри Брент Далримпл

Кеннет Сюй

Гэри Эрнст

Билл Райан

Уолтер Манк

Луи Агассис

* Пенсильваний и миссисипий – стратиграфические подразделения североамериканской стратиграфической шкалы, принятые Международным стратиграфическим комитетом (ICS) для использования в Международной стратиграфической шкале (МСШ). В российской Общей стратиграфической шкале (ОСШ) этому интервалу соответствует каменноугольная система (карбон), включающая три отдела (верхний, средний, нижний). ОСШ не противопоставляется МСШ, но отражает специфику геологического строения и истории развития Евразийского региона.

На рисунке выше отражены геологические эры (кайнозой, мезозой, палеозой, протерозой, архей) и входящие в них периоды. Однако кайнозой подразделяется здесь не не на периоды, а на эпохи (палеоцен, эоцен и т. д.), на которые периоды делятся. Общую стратиграфическую шкалу см. здесь. – Прим. науч. ред.

Предисловие

Каждая горная порода или окаменелость рассказывает какую-нибудь историю. Для большинства людей камни – это просто камни, но для опытного геолога это ключ, ценные свидетельства, которые можно ясно прочитать, если только знать, как это делается. Я часто говорю студентам, что геология похожа на телесериал «C.S.I.: Место преступления». Геологи и палеонтологи действуют как эксперты-криминалисты, собирая воедино малозаметные улики, чтобы реконструировать «место преступления» в прошлом – зачастую с невероятными подробностями.

Я постарался написать точную и при этом увлекательную книгу, которая стала бы логическим продолжением предыдущей – «Отпечатки жизни. 25 шагов эволюции и вся история планеты» – и была бы интересна как любителям, так и профессионалам. Как и в «Отпечатках жизни…», каждая глава посвящена конкретной горной породе, знаменитому обнажению или важному геологическому явлению. Я рассказываю о завораживающем историческом и культурном контексте, который определяет значимость этих камней или явлений, и о том, как они изменили представление людей о Земле и о работе определенных земных процессов. Кроме того, я пытался вплести в повествование истории об удивительных людях, сделавших эти открытия, и о том, как это произошло. В большинстве случаев понимание приходило постепенно, когда отдельные небольшие необъясненные находки казались фрагментами головоломки. Когда все части собрали вместе, картина стала ясной. Тема необъясненных фрагментов и решения в конце концов этих головоломок будет прослеживаться во многих главах.

01. Гнев вулкана: извержение Везувия
Вулканический туф

Живите в опасности! Стройте свои города у Везувия!^[1]

Фридрих Ницше

Огонь богов

Извержение вулкана может ужасать. И в древние времена, и даже сегодня во многих культурах извержения считаются знаком гнева богов или карой за нарушение божественных велений. Их колоссальная мощь, грохот и разрушительные возможности страшат сильнее, чем любое другое геологическое явление, за исключением землетрясений. Римляне полагали, что под вулканом Этна на Сицилии расположена кузница бога огня Вулкана (у греков – Гефест). Он использует подземный жар, чтобы ковать для богов различные доспехи, утварь, оружие (и даже те молнии, которые мечет Юпитер/Зевс). Когда извергалась Этна, люди говорили, что Вулкан злится из-за измен своей жены Венеры (у греков – Афродита). Везувий, возвышавшийся над Неаполитанским заливом, римляне считали священной горой Геркулеса (у греков – Геракл), и некоторые ученые полагают, что название «Везувий» происходит от греческих слов, означающих «сын Зевса» (поскольку Зевс был отцом Геракла).

Тем не менее еще в античные времена появились первые по-настоящему научные представления о том, что такое вулкан и как он извергается. В каком-то смысле именно извержение Везувия в 79 г. н. э. можно считать началом нашего современного понимания Земли и тем событием, которое привело к рождению геологии как науки.

В то время поселения вокруг Везувия росли и процветали. Неаполитанский залив был богат рыбой, а виноград рос буквально повсюду, включая склоны самой горы. Вулканические почвы вокруг Везувия были слишком плодородными, чтобы ими можно было пренебрегать, поэтому на них выращивали зерновые культуры и виноград. Многие знатные римляне владели здесь собственными домами, а на соседнем острове Капри находилась большая вилла римских императоров. В Помпеях жило свыше 20 000 человек, а вокруг было разбросано множество более мелких поселений.

С 217 г. до н. э. Везувий не извергался, и поэтому большинство римлян считали его потухшим. Однако в 62 г. серьезное землетрясение разрушило Помпеи, Геркуланум и Неаполис, а в последующие 17 лет эти стихийные бедствия вновь и вновь повторялись. Еще в 30 г. до н. э. историк Диодор Сицилийский описывал Кампанскую равнину как «выжженную»^[2], поскольку на Везувии были видны следы давних пожаров.

К августу 79 г. н. э. землетрясения участились, а многие колодцы и водные источники пересохли. 23 августа римляне отмечали ежегодный праздник Вулканалии, посвященный Вулкану. Как ни странно, на следующий день бог ответил людям: после мощного взрыва небо потемнело от пепла, а дождь из пемзы продолжался 20 часов (рис. 1.1). Некоторые жители Геркуланума и Помпеев немедленно покинули свои города, однако многие остались: одни не желали оставлять дома, другие не могли, поскольку в гавани не хватало судов, дороги были забиты, а слой пепла и пемзы достигал высоты 2,8 м. Трудно было не только сбежать, но и просто дышать: в легкие людей и животных набивался пепел. Однако это была только «разминка». Через день Везувий выбросил массу nuées ardentes (в переводе с французского «раскаленные облака»), или пирокластических потоков. Эти жгучие (до 850 ℃) смеси вулканических газов и пепла с ревом неслись по склонам горы со скоростью 160 км в час, сжигая все на своем пути. Они накрыли Геркуланум многометровым слоем вулканических отложений, известных как туф.

Рис. 1.1 Извержение Везувия в 1944 г. Источник: Wikimedia Сommons

Историк катастрофы

Очевидцы извержения в основном погибли или не оставили письменных свидетельств, и потому их мысли покрыты туманом истории. К счастью, у нас есть один прекрасный отчет свидетеля, написанный историком Плинием Младшим. В ту пору ему было 17 лет, и он бежал со своей семьей на судне в городок Мизен, расположенный на другой стороне залива в 35 км от вулкана. В письме своему другу, известному историку Корнелию Тациту, юноша рассказал, как его 56-летний дядя Плиний Старший, один из ведущих римских флотоводцев, мыслителей и естествоиспытателей, решил подплыть к извергающемуся вулкану, чтобы спасти своих друзей. Я прочитал письмо в оригинале на уроке латыни в школе, и с тех пор это один из моих любимых рассказов об извержениях.

Плиний Тациту, привет.

Ты просишь описать тебе гибель моего дяди; хочешь точнее передать о нем будущим поколениям. Благодарю; я знаю, что смерть его будет навеки прославлена, если ты расскажешь о ней людям [в твоей «Истории»]^[3]. Он, правда, умер во время катастрофы, уничтожившей прекрасный край с городами и населением их, и это памятное событие сохранит навсегда и его имя; он сам создал много трудов, но твои бессмертные произведения очень продлят память о нем. Я считаю счастливыми людей, которым боги дали или свершить подвиги, достойные записи, или написать книги, достойные чтения; самыми же счастливыми – тех, кому даровано и то и другое. В числе их будет и мой дядя – благодаря своим книгам и твоим. Тем охотнее берусь я за твое поручение и даже прошу дать его мне.

Дядя был в Мизене и лично командовал флотом. В девятый день до сентябрьских календ, часов около семи [24 августа 79 года, между 2 и 3 часами дня], мать моя показывает ему на облако, необычное по величине и по виду. Дядя уже погрелся на солнце, облился холодной водой, закусил и лежа занимался; он требует сандалии и поднимается на такое место, откуда лучше всего можно было разглядеть это удивительное явление. Облако (глядевшие издали не могли определить, над какой горой оно возникало; что это был Везувий, признали позже) по своей форме больше всего походило на пинию [сегодня мы бы сказали о «грибовидном облаке»]. Вверх поднимался как бы высокий ствол, и от него во все стороны расходились как бы ветви. Я думаю, что его выбросило током воздуха, но потом ток ослабел, и облако от собственной тяжести стало расходиться в ширину; местами оно было яркого белого цвета, местами в грязных пятнах, словно от земли и пепла, поднятых кверху. Явление это показалось дяде, человеку ученому, значительным и заслуживающим ближайшего ознакомления. [Такой тип извержения с выброшенным облаком пепла и пемзы теперь в его честь называется плинианским.] Он велит приготовить либурнику и предлагает мне, если хочу, ехать вместе с ним. Я ответил, что предпочитаю заниматься; он сам еще раньше дал мне тему для сочинения. Дядя собирался выйти из дому, когда получил письмо от Ректины, жены Тасция: перепуганная нависшей опасностью (вилла ее лежала под горой, и спастись можно было только морем), она просила дядю вывести ее из этого ужасного положения. Он изменил свой план: и то, что предпринял ученый, закончил человек великой души; он велел вывести квадриремы и сам поднялся на корабль, собираясь подать помощь не только Ректине, но и многим другим (это прекрасное побережье было очень заселено). Он спешит туда, откуда другие бегут, держит прямой путь, стремится прямо в опасность и до того свободен от страха, что, уловив любое изменение в очертаниях этого страшного явления, велит отметить и записать его.

На суда уже падал пепел, и чем ближе они подъезжали, тем горячее и гуще; уже куски пемзы и черные обожженные обломки камней, уже внезапно отмель и берег, доступ к которому прегражден обвалом. Немного поколебавшись, не повернуть ли назад, как уговаривал кормщик, он говорит ему: «Смелым в подмогу судьба^[4]: правь к Помпониану». Тот находился в Стабиях, на противоположном берегу (море вдается в землю, образуя постепенно закругляющуюся, искривленную линию берега). Опасность, еще не близкая, была очевидна и при возрастании оказалась бы рядом. Помпониан погрузил на суда свои вещи, уверенный, что отплывет, если стихнет противный ветер. Дядя прибыл с ним: для него он был благоприятнейшим. Он обнимает струсившего, утешает его, уговаривает; желая ослабить его страх своим спокойствием, велит отнести себя в баню; вымывшись, располагается на ложе и обедает – весело или притворяясь веселым – это одинаково высоко.

Тем временем во многих местах из Везувия широко разлился, взметываясь кверху, огонь, особенно яркий в ночной темноте. Дядя твердил, стараясь успокоить перепуганных людей, что селяне впопыхах забыли погасить огонь и в покинутых усадьбах занялся пожар. Затем он отправился на покой и заснул самым настоящим сном: дыхание у него, человека крупного, вырывалось с тяжелым храпом, и люди, проходившие мимо его комнаты, его храп слышали. Площадка, с которой входили во флигель, была уже так засыпана пеплом и кусками пемзы, что человеку, задержавшемуся в спальне, выйти было бы невозможно. Дядю разбудили, и он присоединился к Помпониану и остальным, уже давно бодрствовавшим. Все советуются, оставаться ли в помещении или выйти на открытое место: от частых и сильных толчков здания шатались; их словно сдвинуло с мест, и они шли туда-сюда и возвращались обратно. Под открытым же небом было страшно от падавших кусков пемзы, хотя легких и пористых; выбрали все-таки последнее, сравнив одну и другую опасность. У дяди один разумный довод возобладал над другим, у остальных – один страх над другим страхом. В защиту от падающих камней кладут на головы подушки и привязывают их полотенцами.

По другим местам день, здесь ночь чернее и плотнее всех ночей, хотя темноту и разгоняли многочисленные факелы и разные огни. Решили выйти на берег и посмотреть вблизи, можно ли выйти в море: оно было по-прежнему бурным и враждебным. Дядя лег на подостланный парус, попросил раз-другой холодной воды и глотнул ее. Огонь и запах серы, возвещающий о приближении огня, обращают других в бегство, а его подымают на ноги. Он встал, опираясь на двух рабов, и тут же упал, думаю, потому что от густых испарений ему перехватило дыхание и закрыло дыхательное горло: оно у него от природы было слабым, узким и часто побаливало. Когда вернулся дневной свет (на третий день после того, который он видел в последний раз), тело его нашли в полной сохранности, одетым как он был; походил он скорее на спящего, чем на умершего^[5].

Во втором письме Тациту спустя несколько дней Плиний писал:

‹…› Уже первый час дня [около 6–7 утра], а свет неверный, словно больной. Дома вокруг трясет; на открытой узкой площадке очень страшно; вот-вот они рухнут. Решено, наконец, уходить из города; за нами идет толпа людей, потерявших голову и предпочитающих чужое решение своему; с перепугу это кажется разумным; нас давят и толкают в этом скопище уходящих. Выйдя за город, мы останавливаемся. Сколько удивительного и сколько страшного мы пережили! Повозки, которым было приказано нас сопровождать, на совершенно ровном месте кидало в разные стороны; несмотря на подложенные камни, они не могли устоять на одном и том же месте. Мы видели, как море отходит назад; земля, сотрясаясь, как бы отталкивала его. Берег явно продвигался вперед; много морских животных застряло в сухом песке. С другой стороны черная страшная туча, которую прорывали в разных местах перебегающие огненные зигзаги; она разверзалась широкими полыхающими полосами, похожими на молнии, но большими.

Тогда тот же испанский знакомец обращается к нам с речью настоятельной: «Если твой брат и твой дядя жив, он хочет, чтобы вы спаслись; если он погиб, он хотел, чтобы вы уцелели. Почему вы медлите и не убегаете?» Мы ответили, что не допустим и мысли о своем спасении, не зная, жив ли дядя. Не медля больше, он кидается вперед, стремясь убежать от опасности.

‹…› Вскоре эта туча опускается к земле и накрывает море. Она опоясала и скрыла Капри, унесла из виду Мизенский мыс. Тогда мать просит, уговаривает, приказывает, чтобы я убежал: для юноши это возможно; она, отягощенная годами и болезнями, спокойно умрет, зная, что не была причиной моей смерти. Я ответил, что спасусь только вместе с ней; беру ее под руку и заставляю прибавить шагу. Она повинуется неохотно и упрекает себя за то, что задерживает меня.

Падает пепел, еще редкий. Я оглядываюсь назад: густой черный туман, потоком расстилающийся по земле, настигал нас. «Свернем в сторону, – говорю я, – пока видно, чтобы нас, если мы упадем на дороге, не раздавила идущая сзади толпа». Мы не успели оглянуться – вокруг наступила ночь, не похожая на безлунную или облачную: так темно бывает только в запертом помещении при потушенных огнях. Слышны были женские вопли, детский писк и крик мужчин; одни окликали родителей, другие детей или жен и старались узнать их по голосам. Одни оплакивали свою гибель, другие гибель близких; некоторые в страхе перед смертью молили о смерти; многие воздевали руки к богам; большинство объясняло, что нигде и никаких богов нет и для мира это последняя вечная ночь. Были люди, которые добавляли к действительной опасности вымышленные, мнимые ужасы. Говорили, что в Мизене то-то рухнуло, то-то горит. Это была неправда, но вестям верили. Немного посветлело, но это был не рассвет, а отблеск приближавшегося огня. Огонь остановился вдали; опять темнота, опять пепел, густой и тяжелый. Мы все время вставали и стряхивали его; иначе нас засыпало бы и раздавило под его тяжестью. Могу похвалиться: среди такой опасности у меня не вырвалось ни одного стона, ни одного жалкого слова; я только думал, что я гибну вместе со всеми и все со мной, бедным, гибнет: великое утешение в смертной участи.

Туман стал рассеиваться, расходясь как бы дымным облаком; наступил настоящий день и даже блеснуло солнце, но такое бледное, какое бывает при затмении. Глазам все еще дрожавших людей все предстало в измененном виде; все, словно снегом, было засыпано толстым слоем пепла. Вернувшись в Мизен и кое-как приведя себя в порядок, мы провели тревожную ночь, колеблясь между страхом и надеждой. Осилил страх: землетрясение продолжалось, множество людей, обезумев от страха, изрекали страшные предсказания, забавляясь своими и чужими бедствиями. Но и тогда, после пережитых опасностей и в ожидании новых, нам и в голову не приходило уехать, пока не будет известий о дяде^[6].

Последствия

Шестая и самая мощная волна пеплопада накрыла корабль в гавани, так что у Плиния Старшего не было шансов спастись. Позднее суда вернулись в Помпеи и нашли ученого мертвым: по-видимому, он задохнулся от пепла или вулканической пыли. Плиний стал одной из многих тысяч жертв: мало кому из 20 000 жителей Помпеев удалось спастись. Город был похоронен так глубоко – почти под 20-метровым слоем пепла, – что его забросили и со временем забыли (рис. 1.2). Помпеи обнаружили только в 1748 г., когда при постройке колодца нашли первые за почти 1700 лет следы города. Сейчас практически весь он раскопан, и перед нами открылось замечательное окно в жизнь Римской империи. Хорошо сохранились не только дома и природные объекты: фрески на стенах сияют первоначальными яркими цветами, мозаичные панно целы, а предметы из негорючих материалов остались на удивление невредимыми. Самое поразительное открытие – полости в отложениях пепла, заполненные воздухом. Когда эти полости залили гипсом, ученые увидели тела римлян (и их собак), задохнувшихся от газов, свернувшихся в позе эмбриона или уткнувших лицо в землю и погребенных в пепле (рис. 1.3). Тела их испарились и исчезли, но полости сохранились.

Раскопать Геркуланум оказалось труднее: его покрывал 23-метровый слой твердых отложений вулканических грязевых потоков. Несмотря на то что город нашли еще в 1709 г., а раскопки начали в 1738-м, он до сих пор раскрыт миру только частично. В отличие от Помпеев, Геркуланум был небольшим прибрежным курортным поселением, насчитывающим примерно 5000 человек. О богатстве свидетельствуют виллы, найденные украшения и другие артефакты. Как и в Помпеях, археологи обнаружили полости от исчезнувших тел, а также 300 скелетов – по ним видно, в каких позах людей застала смерть. Большинство из них найдены в помещениях у берега, где люди ожидали спасения, но были убиты вулканическими газами и высокой температурой, а затем погребены под осаждениями.

Рис. 1.2 Развалины Помпеев. На заднем плане Везувий. Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 1.3 Гипсовые слепки тел, замурованных в пепле в Помпеях. Источник: Shutterstock

После того как Везувий в 79 г. стер Помпеи и Геркуланум с карты (а позднее также из памяти римлян), он еще долго оставался активным. Серьезное извержение произошло в 203 г., затем в 472-м, когда пепел достиг даже Константинополя. Вулкан извергался и в последующие столетия, а в 1906 г. крупные потоки убили свыше 100 человек. Он снова проснулся в 1944 г., уничтожив множество деревень, а кроме того, 88 американских бомбардировщиков B-25 Mitchell, которые участвовали в высадке союзников в Италии^[7]. Последние 80 лет гора над Неаполем относительно спокойна, однако история Везувия показывает, что он по-прежнему является одним из самых активных и опасных вулканов планеты. При этом на его склонах проживает более миллиона человек, а около подножия – свыше 3 млн, так что следующее извержение, если оно будет сколь-нибудь похоже на событие 79 г., принесет гораздо больше смертей.

История Везувия и Помпеев мало чем отличается от других крупных вулканических катастроф. Ее выделяют наблюдения Плиния Старшего и его племянника, сделанные во время извержения. Вместо того чтобы считать событие актом божественного возмездия, оба подошли к нему с научной точки зрения, постаравшись описать его как природное явление. Это вполне согласуется со знаменитой 37-томной «Естественной историей», созданной Плинием Старшим – одним из первых энциклопедических естественно-научных трудов. Сравнение столба пепла с пинией и рассказ Плиния Младшего о последующих стадиях извержения – самое раннее подробное, достоверное с научной точки зрения, а не мифологическое, описание извержения вулкана. Таким образом, отчеты двух Плиниев (один из которых при этом погиб) знаменуют собой начало естественно-научных наблюдений за земными процессами – то есть зарождение специальной сферы знаний, которую мы сейчас называем геологией.

02. Ледяной человек и остров меди
Самородная медь

Мы скооперировались с одной крупной голливудской киностудией и снимаем фильм под названием «Медь». Действие происходит на Марсе в XXIV веке. К этому моменту в мире уже 27 миллиардов людей, и самым ценным металлом является медь, потому что все работает на электричестве, а углеводороды больше не сжигаются.

Роберт Фридланд

Появление ледяного человека

19 сентября 1991 г. два немецких туриста, путешествовавшие по австрийским Альпам, сошли с обозначенной тропы, срезав путь. На высоте 3210 м они заметили какой-то темный предмет, вмерзший в лед. Сначала они приняли его за мусор, оставшийся от предыдущих альпинистов, но когда приблизились, увидели: изо льда торчат голова и туловище человека. Тело настолько хорошо сохранилось, что сначала туристы, а позже коронер и полиция подумали, что это жертва недавнего преступления или заблудившийся и погибший путник. Это действительно оказался заблудившийся путник, однако несчастный случай произошел давно. Когда в местном морге осмотрели одежду и тот инструмент, что был при мертвеце, стало понятно: туристы наткнулись на мумифицированное тело древнего человека. Позднее специалисты установили – он жил примерно 5300 лет назад. Поскольку обнаружили его в долине Эцталь, мумия получила прозвище Ледяной человек Этци^[8] (рис. 2.1). Одежда и орудие Этци дали нам ценные сведения о культуре людей в эпоху, когда медные инструменты заменили собой каменные.

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.

Богатство оловянных рудников сделало их заманчивой мишенью, и в 1497 г. король Генрих VII поднял налоги на добычу для оплаты своих войн в Шотландии, что нарушило предыдущие правила, установленные станнарными судами. Разгневанные горняки Корнуолла подняли восстание против короля, их силы в течение нескольких недель прошлись по южной Англии, практически не встречая сопротивления. Они двинулись на север в Бристоль, затем на восток и отступили только после сопротивления в Кенте на юго-востоке Англии. Наконец, 17 июня 1497 г. корнуоллские повстанцы столкнулись с 25-тысячной армией, поддерживавшей короля, в битве у Дептфордского моста. Этого моста и поля боя давно нет, здесь сейчас юго-восточные районы Лондона. Войско повстанцев было намного меньше сил противников и, не имея кавалерии и артиллерии, оказалось в явно невыгодном положении. Корнуоллские лучники какое-то время сдерживали королевские войска, пытавшиеся перебраться по мосту, однако из-за неопытности бунтовщики оставили подкрепления вдалеке от переправы, поэтому после захвата моста королевская армия легко разрезала войско повстанцев на части: погибло до 2000 человек.

Корнуоллские оловодобытчики

Эта битва была последним открытым восстанием корнуоллцев против короны, однако жители Корнуолла поныне остаются полным достоинства и несгибаемым народом, со своим особым диалектом и местной культурой. Они всегда отделяли себя от других жителей Британии, и их собственный черный флаг с белым крестом гордо развевается по всему Корнуоллу. Множество укромных бухт и местечек в Корнуолле делали его превосходным местом для контрабандистов, пытавшихся уклониться от королевских налогов и пошлин, поэтому здесь хватало моряков, не ладивших с законом. Они послужили источником вдохновения для «Пиратов Пензанса» – знаменитой комической оперы Артура Салливана и Уильяма Гилберта.

В XVIII и XIX вв. олово требовалось уже не для бронзового оружия. Оно использовалось в пьютере – сплаве, где к олову (85–90 % состава) добавляли медь, сурьму или свинец; из пьютера изготавливали миски, кружки, блюда и другую утварь. Однако больше всего олова требовалось для консервных банок и оловянной фольги, которые были необходимы для герметичного хранения продуктов. Фактически, можно сказать, олово изменило ход современной войны и позволило появиться великим империям в эту эпоху. Жестяная тара обеспечивала питание армии и флоту во время дальних плаваний и походов, а ведь именно получение достаточного количества продовольствия всегда было проблемой для военной логистики. Собственно, жестяные банки были изобретены по запросу самого Наполеона Бонапарта. Как говорил Наполеон, «армия марширует на своем животе»^[16].

Олово использовали для множества других орудий и предметов, поскольку этот металл было легко плавить, разливать и обрабатывать и он не подвергался коррозии. Целые поколения европейских мальчишек играли с оловянными солдатиками; один из них описан в сказке Ганса Христиана Андерсена «Стойкий оловянный солдатик». До распространения алюминиевой фольги именно оловянная фольга применялась обычно как для герметизации контейнеров, так и в электротехнических устройствах. За это время «корнуоллский оловодобытчик» стал распространенным мемом британской культуры, сравнимым с «валлийским угольщиком». Сейчас олово в ограниченных количествах по-прежнему в ходу – особенно в качестве стойкого к коррозии покрытия для стальных контейнеров и припоя для электроники. Например, в Apple iPad используется от 1 до 3 граммов олова: ведь всего лишь в двух его компонентах 7000 точек пайки. Олово по-прежнему является самым важным металлом для большинства производимых сегодня электронных устройств.

Однако замена оловянной жести и фольги алюминием уменьшила значимость олова в современном мире. Месторождения Корнуолла слишком истощились, чтобы обеспечить рентабельность в условиях снижения цен и падения рынка, поэтому его рудники с 1920-х гг. начали закрываться. Кроме того, колоссальные месторождения олова нашли в Перу и Боливии, что сделало этот регион мировым лидером в добыче олова на протяжении большей части XX в. Затем значительные месторождения были найдены в Китае, Австралии, Малайзии и других странах. Огромные залежи этого металла нашли в Конго, и в результате за их эксплуатацию взялись разнообразные агрессивные повстанческие группировки, сражающиеся со своими правительствами в Африке. В настоящее время большая часть мирового олова поступает из Индонезии, Китая и Малайзии.

Откуда взялось олово?

Основным источником олова в Европе были территории вокруг Девона и Корнуолла. Олово здесь непосредственно связано с интрузиями^[17] каменноугольных и пермских гранитных пород (например, в Дартмуре и в Лендс-Энде). Это произошло во время Герцинской складчатости^[18], когда части микроплиты, известной под названием Арморика, столкнулись с южной Англией, сминая ее породы, в которые затем проникала магма, выплавляемая в корневых частях воздымавшегося горного хребта.

Эти интрузии сопровождались многочисленными близповерхностными жилами, образованными обогащенной рудным веществом магмой. Они также перегревали подземные воды, которые просачивались через окружающую девонскую породу, захватывали редкие элементы, а затем осаждали их в жилах, обогащенных этими минеральными веществами, создавая гидротермальные месторождения. Такие жилы богаты медью, свинцом, цинком и серебром, но больше всего район известен как одно из крупнейших в мире месторождений олова, представленного касситеритом (оксидом олова, или SnO₂) – минералом, название которого восходит к древней легенде об островах Касситеридах. Касситерит – поразительный металлический серебристо-серый минерал, который может образовывать кристаллы сдвоенные, а иногда и бипирамидальной формы, выглядящие как две пирамиды, соединенные друг с другом основаниями (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Кристаллы касситерита (оксида олова) в форме двойников. Источник: Wikimedia Сommons

Хотя сегодня оловянные рудники Корнуолла большей частью закрыты, их можно посетить и получить представление о некогда преисполненной гордости мощной отрасли, которая способствовала развитию промышленного могущества Британии. Исторический оловянный рудник, открытый для экскурсий, – шахта Гивор в Корнуолле, которая находится к северу от Лендс-Энда, самой западной точки Британии. Она функционировала с 1840-го по 1990 г., выдав за это время более 50 000 тонн олова, и в период своего расцвета была одной из крупнейших в отрасли шахт Великобритании. В 1880-х гг. на одной этой шахте работало почти 200 оловодобытчиков; на пике же здесь трудилось 270 человек. Сегодня этот участок живой истории признан ЮНЕСКО объектом Всемирного наследия^[19]; экскурсии по бывшим местам добычи проводят люди, которые сами некогда здесь работали, а также их сыновья.

Добыча олова всегда была опасным и грязным занятием. Даже открытый способ приводил к спорам из-за леса, воды и пастбищ. Все подземные работы велись в узких шахтах, которые уходили глубоко в землю, следуя за рудными жилами. Самая заметная достопримечательность оловянной шахты Гивор – надшахтный копёр (рис. 3.3), на котором крепятся машинное оборудование и шкив с тросами. С их помощью под землю опускали клети с шахтерами и оборудованием, а поднимали на поверхность вагонетки с добытой рудой. Когда-то люди вгрызались в твердую породу, используя кирки и лопаты, но со временем с помощью гидравлических буров и молотков стали делать отверстия-шпуры для размещения в них динамита. Такое бурение порождало огромное количество каменной пыли, и шахтеры жили недолго, потому что их легкие поражал силикоз. Постепенное внедрение буров с водяным охлаждением решило проблему каменной пыли и снизило уровень смертности у горняков.

Рис. 3.3 Надшахтный копёр в музее оловянной шахты Гивор (Корнуолл). Фото автора

В конце дня шахтеры укладывали заряды в шпуры, затем покидали шахту и взрывали динамит. За ночь пыль оседала, и на следующее утро они возвращались к работе, загружая всю руду и пустую породу в небольшие вагонетки для транспортировки на поверхность. Чтобы добраться до рудных жил или удалить воду, приходилось прорывать множество горизонтальных туннелей (штреков), а эти туннели горняки соединяли вертикальными стволами, которые помогали им добираться до более скрытых жил и использовались для дренажа. От главного ствола шахты надо было пройти несколько коротких горизонтальных туннелей, чтобы достичь рудоносной жилы и обработать ее методом обрушения. С годами Гивор добиралась до все более глубоких жил, некоторые из них находились уже под Атлантическим океаном и за много миль от входа в шахту. В конечном итоге общая длина системы туннелей составляла почти 85 миль (примерно 135 км); многие из этих туннелей следовали за оловянными жилами под дном океана и требовали постоянной откачки морской воды. Другие шахты – например, Долкоат, уходившая на 1067 м вниз от земли, – относились к числу глубочайших в мире в 1920-е гг.

Когда вагонетки с породой поднимали на поверхность, сырую руду отправляли в штемпельную мельницу, которая измельчала породу и превращала ее в подобие песка. Затем требовалось отделить ценную руду от бесполезного материала. Большую часть времени сырье промывали водой, которая отсеивала более плотные металлосодержащие минералы от легкой по сравнению с ними пустой породы. На старых рудниках использовалось несколько больших, заполняемых водой промывочных ям; их выкладывали глиной и использовали для отделения плотных металлов от более легких минералов.

Чтобы добраться до олова, требовалось переработать огромное количество рудной породы. На рудниках Корнуолла концентрация металла обычно составляла 1 % или меньше, так что для получения одной тонны чистого олова необходимо было добыть сто тонн сырья.

На более современных оловянных шахтах, таких как Гивор, имелось здание с сотнями магнитных сепараторов (рис. 3.4), которые управляли движением измельченной руды на рифленом промывочном столе. Магнитное поле под верхней частью стола удерживало магнитные минералы, входящие в состав руды, в то время как немагнитные минералы смывались в зону сбора отходов. Затем концентрированный металлический остаток собирали и отправляли на плавильный завод, где его плавили и разделяли на отдельные металлы (олово, медь, цинк), а затем изготавливали из них слитки, которые шли на рынок. Одним из недостатков корнуоллского горнодобывающего района было отсутствие угля и другого топлива, необходимого для плавильных заводов, поэтому для конечной плавки приходилось отправлять переработанную руду в другие места.

Рис. 3.4 Магнитный сепаратор на оловянной шахте Гивор. Рифление стола помогает отделить тяжелое олово и другие металлы от пустой породы. Магниты под столом концентрируют металлосодержащие минералы в верхней части стола, а безрудный материал стекает с его нижней части. Фото автора

Крах оловянной империи

Оловянные шахты Корнуолла становились все менее и менее прибыльными к началу XIX в., когда, как уже говорилось, в Боливии и Юго-Восточной Азии нашли более богатые и рентабельные месторождения. Тем не менее добыча олова продолжалась в Корнуолле на протяжении большей части ХХ столетия. Цену на олово частично поддерживал мировой картель – Международный совет по олову, который регулировал производство этого металла по всему миру, чтобы сохранять его дефицит и повышать значимость на товарном рынке. При необходимости он скупал излишки в Корнуолле или Малайзии, поддерживая тем самым рентабельность продаж.

Однако спрос на олово неуклонно снижался, и во многих товарах его заменил дешевый алюминий. Добыча в Корнуолле обходилась дороже, чем в развивающихся странах. В конце концов у Международного совета закончились деньги, необходимые для скупки излишков олова, и в октябре 1985 г. картель внезапно распался, несмотря на несколько попыток его возродить. Сейчас цена на олово намного ниже – вследствие ограниченного спроса на него и дешевизны этого металла, добываемого в странах с низкой заработной платой. Эта ситуация опасна для горняков, особенно в Индонезии, где разрабатываемые месторождения находятся все глубже и все больше связаны с риском. Рудокопы, по-прежнему использующие кирки и лопаты, работают всего за 5 долларов в день, и никто не вводит правила техники безопасности – например, террасирование карьеров, предотвращающее обвалы. В 2011 г. на этих рудниках погибал примерно один рабочий в неделю, однако здесь по-прежнему не стремятся регулировать работу шахт или повышать их безопасность.

Крах мирового оловянного картеля привел к прекращению добычи олова в Корнуолле и Девоне. Последней работавшей шахтой Девона была шахта Хемердон недалеко от Плимптона, просуществовавшая до 1980-х гг. Последний оловянный рудник Корнуолла в Саут-Крофти закрылся в 1998 г. Во время экскурсии по шахте Гивор последняя и самая трогательная остановка – бывшая шахтерская раздевалка, где многие рабочие оставили снаряжение и одежду после своей последней смены, когда в 1986 г. хозяева без предупреждения закрыли предприятие. Горняки и экскурсоводы до сих пор жалуются, что богатые инвесторы, владельцы и торговцы из картеля извлекли прибыль благодаря инсайдерской информации перед внезапным обвалом цен, однако рабочих никто не уведомил о ситуации, а после закрытия предприятий у них не стало будущего. Надпись возле одной из шахт в Корнуолле, появившаяся примерно в 1999 г., гласит:

Путешествие по населенным призраками холмам Корнуолла и посещение давно заброшенных горнодобывающих предприятий – отрезвляющий опыт. Это заключительный этап в долгой истории металла, который положил начало бронзовому веку, помог промышленной революции, дал возможность прокормить большие армии и флоты с помощью консервов в жестяных банках и до сих пор остается одним из самых важных металлов в современной электронике. Мы живем не в бронзовом веке, но олово по-прежнему необходимо – даже в компьютерный век.

04. «Ни следов начала»: необъятность геологического времени
Угловое несогласие

Разум, кажется, кружился, заглянув так далеко в бездну времени…

Джон Плейфер

В начале…

В течение почти 2000 лет многие ученые считали руководством по происхождению и истории Земли Библию, истолковывая ее текст буквально. Еще в середине XVIII в. естествоиспытатели полагали, что Земле всего несколько тысяч лет, она совершенна и неизменна – за исключением порчи, вызванной грехом Адама. Не случись этого грехопадения, согласно церковному догмату, мир был бы совершенен и неизменен. Выдающийся натуралист и геолог Джон Вудворд (1665–1728) высказал в 1695 г. типичное для той эпохи мнение: «Земной и водный шар до сих пор находится почти в том же состоянии, в котором его оставил Всемирный потоп; и это продолжится до времени его окончательного разрушения и распада, сохраняя ту же цель, для которой он был первоначально создан».

Библейские догмы диктовали представления о возрасте Земли. Например, в 1650 г. Джеймс Ашшер (1581–1656), архиепископ Армагский, использовал возраст патриархов в Библии, чтобы вычислить, что Творение произошло 23 октября 4004 г. до н. э. Другой ученый, Джон Лайтфут, определил и время – 9 часов утра. Ни тот, ни другой не объяснили, как можно установить дни и ночи до того, как появились Солнце и Земля. Конечно, Библия не дает согласованных сведений о том, сколько времени прошло между Творением и Всемирным потопом, не говоря уже о последующем времени, поэтому пришлось делать определенные предположения. Тем не менее оценка Ашшера являлась вершиной научного подхода для его эпохи и учитывала то, что было известно об истории евреев, вавилонян, персов, греков и римлян. Это была честная попытка, и мы должны ее уважать – хотя сегодня нам известно, что она занизила время существования Земли примерно в миллион раз.

Просвещение

Из-за власти церкви над европейской наукой эта оценка не подвергалась сомнению более века. Однако в эпоху Просвещения влияние религиозных догм на ученых стало слабеть. Например, французский натуралист Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон (1707–1788), предположил в 1779 г., что возраст Земли составляет 75 000 лет, что как минимум в 10 раз превышает величину, основанную на библейской хронологии.

Во второй половине XVIII в. ученые и натуралисты начали сомневаться в авторитете не только церкви, но и аристократов. Рациональность, доказательства и критическое мышление бросали вызов властям и существующему положению дел. Мыслители сосредоточились на изучении источников человеческих знаний, правомерности верховенства государства и религиозных деятелей, а также на казавшихся бесспорными принципах прошлых веков. Во Франции Просвещение зародилось в салонах и привело к созданию великой Энциклопедии под редакцией Дени Дидро, в написании которой участвовали сотни ведущих мыслителей, в том числе Вольтер (1694–1778), Жан-Жак Руссо (1712–1778) и Монтескье (1689–1755). В Англии весомый вклад в развитие Просвещения внес Исаак Ньютон (1643–1727), труды которого заложили основы физики и изменили наше понимание Вселенной. Его направлял Джон Локк (1632–1704), чьи идеи о правительстве и религии вдохновляли ориентировавшихся на Просвещение американцев – Томаса Джефферсона (1743–1826), Бенджамина Франклина (1706–1790) и других отцов-основателей. Среди них был Томас Пейн, который выступал не только против английского правления в Америке, но и против Библии. Иммануил Кант (1724–1804) произвел революцию в области философии в немецкоязычном мире, а ранее Готфрид Лейбниц (1646–1716) внес огромный вклад в развитие естественных наук и математики, создав, в частности, математический анализ (его вариант несколько отличался от математического анализа Исаака Ньютона).

Крупным интеллектуальным центром того времени и сердцем шотландского Просвещения (наряду с Глазго) был Эдинбург. Город, прозванный Северными Афинами, обладал множеством неоклассических зданий и имел такую же репутацию просвещенного города, как и его античный тезка. В романе Тобайаса Смоллетта «Экспедиция Хамфри Клинкера» (1771) один персонаж назвал Эдинбург «теплицей дарований», а историк Джеймс Бьюкен хорошо описал его в названии своей книги «Переполненный гениальностью» (Crowded with Genius).

Почему этот небольшой провинциальный город стал одним из интеллектуальных центров мира, превзойдя даже таких гигантов, как Лондон и Париж? Артур Херман в своей книге «Как шотландцы изобрели современный мир» (How the Scots Invented the Modern World) отмечал, что созданию идеальной среды для свободной мысли и интеллектуального брожения здесь способствовал целый ряд факторов. Во-первых, политическая стабильность и экономический бум, наступившие после союза с Англией в 1707 г. Шотландские торговцы богатели благодаря трансатлантической торговле (особенно табаком), а их доходы обеспечивали многие учреждения, особенно университеты. Если не считать проблем с якобитами и претендентом на престол Красавчиком принцем Чарли, которые закончились после сражения при Каллодене в 1746 г., на протяжении большей части XVIII столетия в Эдинбурге царил устойчивый мир. После завершения восстания шотландцы активно подражали англичанам и стремились добиться успеха в английском обществе и культуре. Во-вторых, благотворны были религиозный климат города и отсутствие преследований. После того как в 1697 г. за богохульство был повешен молодой шотландец Томас Айкенхед, власть религиозных деятелей в Эдинбурге начала быстро ослабевать. Одна из причин – разделение Шотландии между католиками (в частности, королевской семьей и жителями горной Шотландии – хайлендерами) и пресвитерианскими последователями Джона Нокса, которые находились под влиянием кальвинистов; кроме того, имелось англиканское меньшинство – приверженцы официальной церкви Англии (жители южной низинной Шотландии – лоулендеры). Это контрастировало с Англией, где у человека, не принадлежащего к англиканской церкви, было мало шансов на продвижение, или с Францией с ее могущественной католической церковью и коррумпированной аристократией.

Пресвитериане глубоко верили в то, что каждый человек должен читать Библию для себя, и создали по всей Шотландии государственные школы, так что к концу XVIII в. здесь оказался самый высокий уровень грамотности в мире. К тому моменту в Шотландии имелось пять крупных университетов, в то время как в Англии их было всего два. Появилось много газетных и книжных издательств. В шотландской интеллектуальной жизни культура ориентировалась на книги. В 1763 г. в Эдинбурге было 6 типографий и 3 бумажные фабрики, а к 1783 г. – 16 типографий и 12 бумажных фабрик. Таким образом, город стал крупным центром англоязычной книжной торговли.

Интеллектуальная жизнь вращалась вокруг нескольких клубов, которые начали возникать в Эдинбурге в 1710-х гг. Одним из первых и наиболее важных стал Клуб политической экономии, деятельность которого была направлена на установление связей между учеными и торговцами. Другой – «Избранное общество» – был основан художником Алланом Рэмзи (1713–1784), философом Дэвидом Юмом (1711–1776) и экономистом Адамом Смитом (1723–1790). Позднее, в 1762 г., появился и клуб «Кочерга»: историк и философ Адам Фергюсон (1723–1816) в его названии обозначил основную цель – «поворошить» важные общественные вопросы.

Историк Джонатан Израэль отмечает, что к 1750 г. почти все крупные города Шотландии обладали интеллектуальной инфраструктурой взаимосвязанных учреждений – университетов, читательских обществ, библиотек, периодических изданий, музеев и масонских лож. Эта шотландская сеть была «преимущественно либерально-кальвинистской, ньютоновской и по своему характеру ориентированной на созидание, что сыграло важную роль в дальнейшем развитии трансатлантического Просвещения». Историк Брюс Ленман указывает, что главным достижением этой системы была «способность распознавать и интерпретировать социальные закономерности».

Огромные достижения были явлены в философии, где возможность мыслить, задавать вопросы и спорить без религиозных ограничений обеспечила серьезный прорыв. Большинство крупных деятелей шотландского Просвещения конца XVIII в. находились под влиянием легендарного Фрэнсиса Хатчесона (1694–1746), который был профессором нравственной философии в университете Глазго с 1729 по 1746 г. Его идеи вдохновляли многих последующих мыслителей, таких как Адам Смит, Дэвид Юм, Иммануил Кант и Джереми Бентам; все они придавали большое значение практическим, утилитарным и реалистическим направлениям философии – в отличие от предшествовавших философов, чьи умы были заняты более абстрактными идеями.

Джеймс Хаттон

Назову некоторых гениев шотландского Просвещения. Это легендарный философ-скептик Дэвид Юм и экономист Адам Смит, в работе «Исследование о природе и причинах богатства народов» впервые описавший капитализм. Химик Джозеф Блэк (1728–1799) и Джеймс Уатт (1736–1819), один из изобретателей современного парового двигателя, запустившего промышленную революцию. Наконец, тихий молодой джентльмен по имени Джеймс Хаттон (рис. 4.1).

Хаттон родился в Эдинбурге 3 июня 1726 г. в семье известного торговца и городского казначея. Несмотря на то что отец Хаттона умер, когда ребенок был совсем мал, Джеймс смог получить образование в местной школе и в Эдинбургском университете. Хотя его всегда интересовала химия, Хаттон стал юристом. Однако в качестве ученика юриста он нередко вместо копирования документов развлекал своих коллег химическими экспериментами. Вместе со своим другом Джеймсом Дэви он интересовался производством аммониевой соли (то есть хлорида аммония, NH₄Cl) из угольной сажи. В результате еще до окончания первого года учебы Хаттон отказался от юриспруденции, обратившись к изучению медицины, поскольку в то время это был единственный способ изучать химию или любую иную естественную науку. Он провел три года в Эдинбургском университете, затем два года в Париже и получил медицинскую степень в Голландии в сентябре 1749 г. (Отъезд в Париж помимо прочего помог ему избежать скандала в Шотландии: он стал отцом внебрачного ребенка.)

Рис. 4.1 Портрет Джеймса Хаттона (Геттона). Источник: Wikimedia Сommons

Однако медицинская практика не привлекала Хаттона. Его сотрудничество с Дэви в разработке недорогого метода производства хлорида аммония оказалось успешным, и это прибыльное дело позволило Хаттону заняться управлением семейными угодьями – в частности, фермой Слайхаузиз в Бервикшире. Он использовал свои знания, чтобы эффективно экспериментировать с новейшими сельскохозяйственными технологиями. Расчистка ландшафта, рытье канав и дренажные работы приводили к появлению множества свежих срезов местных коренных пород, которые притягивали его внимание. В 1753 г. он писал, что «очень полюбил изучать поверхность земли и с тревожным любопытством заглядывал во все ямы, канавы и речные русла, попадавшиеся ему на пути». К 1765 г. хозяйство и компания по производству хлорида аммония процветали, и у Хаттона было достаточно средств, чтобы в 1768 г. сдать ферму в аренду. Тогда он вернулся в Эдинбург, решив заниматься наукой.

Благодаря отцовскому наследству и доходу, получаемому от ферм и от производства хлорида аммония, Хаттону не приходилось зарабатывать на жизнь. В результате у него оставалось много свободного времени для общения со своими друзьями, прежде всего с Адамом Смитом и Джозефом Блэком. Вместе они создали еще одно дискуссионное общество – «Устричный клуб», собираясь каждую пятницу в два часа дня, причем всякий раз в новой таверне, поскольку эти встречи часто привлекали слишком большое внимание. В своем кругу они обсуждали искусство, архитектуру, философию, политику, физику и экономику, рассказывали о собственных проектах. По словам Хаттона, дискуссии были «неформальными и забавными, несмотря на их большую ученость». Среди участников встреч были Джеймс Уатт и Джон Плейфер, математик, сделавшийся главным сторонником Хаттона среди геологов, а также многие другие ученые и натуралисты из университета. Почетным гостем стал побывавший в Эдинбурге Бенджамин Франклин. Один швейцарский химик, посетивший город, так охарактеризовал «Устричный клуб»: «У нас здесь есть клуб, состоящий только из философов. К нему принадлежат доктора Адам Смит, Хаттон, Каллен, Блэк, мистер Макгоуэн, и я тоже его член. Таким вот образом раз в неделю я оказываюсь в самой просвещенной и приятной, веселой и дружеской компании».

Униформизм

Как состоятельный землевладелец, вникавший в сельское хозяйство, Хаттон совершенствовал ведение работ в семейных поместьях, расположенных на юго-востоке Шотландии. Он изучал, как формируются почвы, разрушаются осадочные породы и накапливаются слои отложений, когда реки несут их в море. Благодаря этому ученый получил представление о выветривании горных пород и о том, как медленно формируются и откладываются осадочные породы. Он побывал у древнеримского укрепления недалеко от шотландско-английской границы, известного как Вал Адриана (рис. 4.2), и обратил внимание на то, что сооружение не особо подверглось выветриванию и практически не разрушилось более чем за 1600 лет с момента постройки в 122–128 гг. н. э. Процесс выветривания целых горных хребтов, понял тогда Хаттон, должен занимать несравненно больший срок.

Рис. 4.2 Когда Хаттон побывал у Вала Адриана в 1770-х гг., укрепление еще не разрушилось и не слишком изменилось за годы существования, хотя со времени его строительства в начале II в. прошло свыше 1600 лет. Это убедило Хаттона в том, что процессы, разрушающие целые горы, должны идти крайне медленно. Фото автора

Хаттон посвящал свое время чтению научной литературы и много путешествовал, осматривая выходы горных пород и наблюдая за ходом природных процессов. Используя основной принцип закона природы, которому следовали все ученые эпохи Просвещения, он применил этот подход и к Земле. По его мнению, сверхъестественные катастрофы – такие как библейский Всемирный потоп, – бесполезны в качестве научных объяснений, потому что их нельзя проверить с помощью природных законов или фактов. Хаттон отказался от теории катастроф (катастрофизма) и утверждал, что те природные законы и процессы, которые действуют в настоящем, должны были действовать и в прошлом. Эту мысль часто называют принципом униформизма, а геолог Арчибальд Гейки сформулировал его как «Настоящее – ключ к прошлому». Идеи Хаттона, в том числе принцип униформизма, были впервые официально представлены Эдинбургскому королевскому обществу в 1785 г. А в 1788 г. в «Трудах Эдинбургского королевского общества» были напечатаны две его статьи под общим названием «Теория Земли, или Исследование законов, наблюдаемых в образовании, растворении и восстановлении суши на планете». Наконец, в 1795 г. он опубликовал полностью свой двухтомный труд «Теория Земли».

Ошеломляющие идеи Хаттона решительно опережали его время. К концу XVIII в. ученые многое знали о горных породах, пластах и окаменелостях, однако общей геологической теории еще не существовало. В частности, ее появлению препятствовало все еще широко распространенное представление о том, что Земля появилась около 6000 лет назад – в соответствии с интерпретацией книги Бытия, предложенной Ашшером и Лайтфутом. Некоторые геологи считали, что осадочные породы образовались, когда из вод Всемирного потопа осело в огромном количестве минеральное вещество. Многие ученые осознавали важность разрушительных процессов эрозии, однако аналогичного объяснения для поднятия и образования ландшафта не существовало.

Самое глубокое представление о времени, которое должен был занять такой процесс, Хаттон получил, обнаружив в береговых обнажениях явление, известное сейчас под названием углового стратиграфического несогласия (рис. 4.3). Угловое несогласие стало для Хаттона доказательством огромного возраста Земли. Он увидел, что наклонные слои, обнажающиеся в нижней части обрывов, были некогда отложены горизонтально в русле водного потока или на дне океана, затвердели в виде песчаников и глинистых сланцев, а затем приняли вертикальное положение под действием каких-то чрезвычайно мощных сил. Отчетливо выраженная эрозионная поверхность, срезающая эти нижние наклонные пласты, вероятно, была результатом их поднятия в горные хребты с последующим выветриванием и разрушением в течение миллионов лет. Наконец, горизонтальные пласты в верхней части наблюдаемых обнажений представляют собой еще одно длительное послойное накопление отложений на дне реки или океана, которое также заняло миллионы лет, если принять современные скорости осадкообразования. С учетом всего вместе взятого любое отдельное угловое несогласие должно было соответствовать как минимум миллионам лет, а не тем 6 тысячам, о которых говорит Библия.

В 1787 г. Хаттон обнаружил угловое несогласие на восточном берегу реки Джед-Уотер южнее города Джедборо (рис. 4.3А). В 1795 г. он писал:

Меня удивило появление вертикальных пластов в русле реки: я был уверен, что берега сложены горизонтальными пластами. Вскоре я удовлетворился этим феноменом и порадовался своему счастью, наткнувшись на предмет, столь интересный для естественной истории Земли, который я так долго и тщетно искал… Над этими вертикальными слоями располагаются горизонтальные пласты, протянувшиеся по всей местности.

Рис. 4.3 Угловые несогласия в Шотландии. (A) В Инчбонни, долина реки Джед-Уотер к югу от Джедборо; нарисовано Джоном Клерком для книги Хаттона. Круто наклоненные силурийские schistus^[20] залегают под эрозионной поверхностью, которая срезала песчаники и глинистые сланцы этой толщи после того, как они были опрокинуты. Затем они оказались перекрыты практически горизонтальными слоями девонского древнего красного песчаника. (B) Знаменитое угловое несогласие на мысе Сиккар-Пойнт. В обнажении видны те же, что и в Джедборо, силурийские schistus, перекрытые слоями девонского древнего красного песчаника. Источник: Wikimedia Сommons

Хаттон продолжал исследовать обнажения пород в Шотландии (см. главу 5) в поисках подтверждения своих взглядов, позднее изложенных в «Теории Земли». Он обнаружил новые примеры угловых несогласий в Тевиотдейле и на острове Арран, но эти обнажения с трудом поддавались датировке. Однако в 1788 г. он отправился на небольшом судне вдоль побережья Бервикшира со своими друзьями и сторонниками Джеймсом Холлом и Джоном Плейфером. Он знал, что если двигаться побережьем от Эдинбурга к юго-востоку, то обнажения представлены вертикально наклоненными песчаниками и глинистыми сланцами – schistus (сейчас известно, что они относятся к силурийскому периоду и насчитывают 435 млн лет). Но если вы двигаетесь с юга, то обнажения сложены в основном горизонтальными слоями древнего красного песчаника (они относятся к позднему девону, а возраст их составляет 370 млн лет). Как любой хороший детектив (или геолог), Хаттон понимал, что на побережье должно обнаружиться место встречи этих двух толщ. Наконец он нашел то, о чем догадывался, на мысе Сиккар-Пойнт (рис. 4.3В).

Плейфер так писал о том знаменательном дне:

Нам, впервые увидевшим этот феномен, будет трудно забыть свое впечатление… Мы с неизбежностью ощущали, что перенеслись в те времена, когда сланец, на котором мы стояли, находился еще на дне моря, а песчаник перед нами только начал отлагаться в форме песка и ила из вод океана, покрывающего древний континент… Разум, кажется, кружился, заглянув так далеко в бездну времени; и когда мы слушали с серьезностью и восхищением философа, который сейчас раскрывал перед нами порядок и последовательность этих удивительных событий, мы осознавали, насколько дальше может иногда двинуться ум по сравнению с тем, куда может осмелиться идти воображение.

Идеи Хаттона, как уже сказано, сильно отличались от представлений его времени. Он утверждал, что осадочные породы некогда были илом и песками, которые смывались с суши в океаны, аккумулировались там в пласты, а затем затвердевали, превращаясь в горные породы. Но он полагал, что такое превращение происходило не просто из-за осаждения песка и ила из водного раствора, а благодаря воздействию давления и нагревания, что подтвердила современная геология.

Хаттон считал, что совокупность этих геологических процессов может полностью объяснить нынешние формы рельефа во всем мире и потому нет необходимости прибегать к библейским толкованиям. Наконец, он заявлял, что процессы эрозии, отложения, трансформации осадков и поднятия горных хребтов были циклическими и многократно повторялись в истории планеты. Поскольку такие циклы занимают огромные промежутки времени, Хаттон писал, что возраст Земли должен быть непостижимо велик. По его словам, геологическое время безмерно и практически бесконечно: «ни следов начала, ни перспектив конца». Как отмечал палеонтолог Стивен Джей Гулд, Хаттон «раздвинул границы времени, внеся тем самым наиболее выдающийся и преобразующий вклад геологии в человеческую мысль – Глубокое время».

05. «Великая тепловая машина земли»: происхождение магмы
Магматические дайки

Вулкан создан не для того, чтобы ужасать суеверные умы и ввергать их в приступы благоговения и набожности. Его следует рассматривать как вентиляционное отверстие печи.

Джеймс Хаттон

Нептунизм против плутонизма

В конце XVIII в. первые натуралисты эпохи Просвещения все еще находились под сильным влиянием книги Бытия и мифа о Всемирном потопе. Такие ученые, как Джованни Ардуино (1714–1795), пытались втиснуть все имеющиеся горные породы в упрощенную последовательность. Сначала шли твердые кристаллические «первичные» породы (гранитные и метаморфические, например, сланцы или гнейсы), которые предположительно образовались при сотворении Земли. Их покрывали «вторичные» породы – осадочные слои, часто имевшие вид складок и деформированные, содержащие окаменелости. (Сегодня большинство этих пластов «вторичных» пород относят к интервалу геологического времени от девонского периода до мелового.) По мнению некоторых натуралистов, «вторичные» слои преобладали и представляли собой отложения, созданные Всемирным потопом. Над ними находились рыхлые отложения и слабо сцементированные осадочные породы, называемые «третичными» слоями – предположительно, «послепотопными».

Такие упрощенные понятия о геологической летописи могут быть занимательными, если не выбираться в реальный мир и не смотреть на реальные породы. Однако большинство геологов того времени не предпринимали дальних путешествий и не проверяли свои идеи на новых обнажениях, а подгоняли ограниченные вскрытые разрезы горных пород Северной Европы под свои заранее принятые догмы. Теория, предполагавшая, что горные породы образовались под воздействием воды (обычно подразумевается все тот же Всемирный потоп), получила название нептунизма – по имени Нептуна, римского бога морей. Нептунисты утверждали, что даже лавовые потоки некогда откладывались в воде. Их противники, однако, возражали, что потоки лавы когда-то образовались из горячей расплавленной породы, а не из воды, и потому приверженцев таких воззрений называли плутонистами, а их теорию – плутонизмом (в честь Плутона, римского бога горячего вулканического подземного мира).

Родоначальником нептунизма был немецкий естествоиспытатель, профессор минералогии во Фрайбергской горной академии Абраам Готтлоб Вернер (1749–1817). Говорили, что Вернер был завораживающим оратором и под влиянием его личности практически все, кто слушал его выступления, становились его сторонниками. Идеи Вернера были весьма популярны в Европе – в первую очередь из-за мощи аргументов и силы его индивидуальности, однако они не опирались на тщательное изучение обнажений на сколь-нибудь обширной территории. (Впрочем, сам ученый не утверждал, что слоистые осадочные породы и потоки лавы являются отложениями времен Всемирного потопа, как считали многие его современники, а просто предполагал, что они откладывались в воде.) Его учеников можно было найти во всех крупных европейских университетах, включая Эдинбургский, где непоколебимым нептунистом был Роберт Джемсон, ставший непримиримым соперником Джеймса Хаттона. Убежденным нептунистом был даже великий поэт и натуралист Гёте. В четвертом акте «Фауста» есть диалог между нептунистом и плутонистом, в котором Мефистофель явно представляет злую плутонистскую точку зрения.

Вы можете задаться вопросом: «Как кто-нибудь мог думать, что вулканическая порода формировалась в воде?» Вспомните, что химия в то время находилась в зачаточном состоянии, поэтому никто ничего не знал о температуре и давлении, необходимых для плавления горных пород. Мало кто из европейцев когда-либо видел потоки лавы. Сейчас мы можем посмотреть видеоролики, на которых раскаленная докрасна лава течет из действующих вулканов, подобных Килауэа, но во времена Хаттона лишь немногочисленные европейцы уезжали далеко от родных городов, и никто не наблюдал извержения вулкана, если только не оказывался на юге Италии в тот момент, когда проявляли активность Везувий, Стромболи или Этна, причем эти вулканы в основном порождают пепел, а не лавовые потоки. Французский геолог Никола Демаре (1725–1815) отмечал в 1774 г.: потухшие вулканы исторической области Овернь на юге Франции доказывают – здесь некогда шли активные извержения, о чем говорят вулканические конусы и множество выветрившихся потоков лавы. Одно это должно было подтвердить правоту плутонизма, хотя нептунизм еще много лет оставался доминирующей теорией.

Тем не менее когда Джеймс Хаттон продумывал свою грандиозную схему гор, которые поднимаются и разрушаются, он пришел к убеждению, что граниты и базальты, сформировавшие потоки лавы, появились не в воде: их создали горячие расплавленные породы, известные как магма. Однако в Северной Европе не было действующих вулканов, и Хаттон никогда не видел, как потоки лавы движутся по территории. Из-за отсутствия таких фактов Хаттон искал места, где граниты или базальты проплавили себе дорогу сквозь ранее существовавшие породы либо вторглись в окружающие породы, прокалив их своим огромным жаром.

Долина реки Тилт и утесы Солсбери

Первые подсказки Хаттон получил, когда заметил, что в гравии реки Тилт, текущей на юг от гор Кернгорм в Хайленде севернее Эдинбурга, полно как гранитных окатышей, так и обломков более древних метаморфических пород. Поэтому он понимал, что где-то в ложе реки должны быть обнажения пород обоих этих видов и что он, возможно, увидит место, где они контактируют друг с другом. В 1785 г. он проехал вверх по долине Тилта и остановился на ночь в местечке Форест-Лодж. На следующий день, исследуя обнажения в русле Тилта у моста Дэйл-ан-Эс возле Форест-Лодж, ученый обнаружил то, что искал: жилы кирпично-красного гранита, прорезавшие более древние метаморфические породы и пропекшие их в зонах контакта (рис. 5.1). Увиденное служило доказательством того, что граниты когда-то были расплавленной магмой, а не образовались в воде! Кроме того, эти граниты должны были быть моложе окружающих сланцев, и, следовательно, не все такие породы сформировались при первоначальном творении Земли, как описано в Бытии.

Рис. 5.1 Гранитные интрузии в долине реки Тилт, которые помогли подтвердить плутонистскую точку зрения Джеймса Хаттона. (A) Обнажение выше моста Дэйл-ан-Эс в его современном состоянии (вид на северо-восток, вверх по долине): видны белые жилы гранитов, прорывающие темные докембрийские сланцы Хайленда (Северо-Шотландского нагорья). Фото Британской геологической службы. (B) На иллюстрации Джона Клерка из посмертного издания книги Хаттона показаны дайки, прорывающие более древние породы. Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 5.2 Трон Артура – жерло потухшего вулкана каменноугольного периода, которое возвышается над южной частью Эдинбурга. Уступы на переднем плане – Утесы Солсбери, вулканические силлы^[21], возникшие в результате внедрения магмы вдоль напластования вмещающих каменноугольных осадочных пород. Хаттон жил в доме у подножия Утесов Солсбери (справа на снимке) и часто бродил по окрестностям со своей собакой Мисси. Снимок сделан недалеко от Эдинбургского замка, который располагается на другом жерле того же вулкана. Источник: Wikimedia Сommons

Однако Хаттону требовалось нечто еще более убедительное: потоки лавы, внедренные в сформировавшиеся в воде слоистые отложения. Когда исследователь бродил по холмам к югу от Эдинбурга со своей собакой Мисси, он понял, что возвышающаяся над городом гора Трон Артура – жерло древнего вулкана (рис. 5.2), а Утесы Солсбери в северной части горы – уступ древних вулканических пород. Наконец, на юго-западных склонах этих утесов он нашел то, что предвидел: интрузии базальтовой лавы, которая расплавила слоистые осадочные породы и в ходе этого процесса даже деформировала их (рис. 5.3). Это знаменитое место получило название Разрез Хаттона, и его регулярно посещают студенты, изучающие геологию. В 1786 г. Хаттон нашел подобный пример в области Галлоуэй, а в 1787-м – еще один на острове Арран.

Рис. 5.3 Разрез Хаттона на Утесах Солсбери. (A) На обнажении в его современном состоянии можно увидеть прокаленные и деформированные осадочные слои (внизу) с окружающими их магматическими породами (вверху). (B) Крупный план правой стороны этого обнажения, показывающий изогнутые осадочные слои, окруженные внедрившимися магматическими породами. Фото автора

Хаттон и его друзья-химики, в том числе Джозеф Блэк и сэр Джеймс Холл, также гораздо лучше, нежели другие ученые того времени, представляли себе химию горных пород, Хаттон знал, как выглядят минералы, образующиеся в результате химического осаждения из воды (например, соль), и мог видеть, что магмы не образуются в воде. Когда в 1768 г. Хаттон переехал в Эдинбург, он работал с Блэком, который разделял его любовь к химии – важнейшему инструменту для понимания воздействия на горные породы высокой температуры. Блэк ввел понятие скрытой теплоты и осознал важность давления при нагревании веществ. Например, вода под давлением остается жидкой, даже если ее нагреть до температуры, которая обычно превращает воду в пар. Эти идеи, касающиеся роли тепла и давления, станут ключевыми для теории Хаттона, объясняющей, как погребенные осадочные отложения превращаются в горные породы. В 1792 г. Холл провел эксперимент: он расплавил кусок базальта при температуре в диапазоне от 800 до 1200 ℃; затем при медленном охлаждении расплав снова перекристаллизовался в базальт. Это был один из первых экспериментов в геологии, и он показал, как должны выглядеть расплавленные горные породы в природе.

Динамичная Земля

Читая сообщения о горячих источниках и вулканах (хотя и ни разу не побывав на них), Хаттон убедился, что Земля в ее центре горячая и расплавленная; источник тепла он называл «великой тепловой машиной Земли». По его словам, «вулкан создан не для того, чтобы ужасать суеверные умы и ввергать их в приступы благоговения и набожности. Его следует рассматривать как вентиляционное отверстие печи». О правоте геолога свидетельствовали и угольные пласты, пропекшиеся под действием прорвавшей их лавы. Он считал, что эта «тепловая машина» ответственна за поднятие и создание гор, которые затем превращались в осадочный материал, смываемый в море. Эти процессы происходили в бесконечном цикле поднятия, эрозии, образования отложений и нового поднятия. Идеи Хаттона стали частью представления о динамичной Земле, которая была невероятно старой – и в то же время постоянно перестраивающейся и трансформирующейся, – а вовсе не молодой и практически не менявшейся с момента своего сотворения 6000 лет назад, согласно Библии.

Хаттон изложил свои идеи в статьях 1788 г., а затем в переработанном двухтомнике «Теория Земли» 1795 г. Однако концепцию геолога приняли не сразу – отчасти потому, что его тексты были очень трудны для чтения и понимания, и когда ученый умер в 1797 г., его теория все еще не получила широкого признания. Впрочем, в 1802 г. его ученик Джон Плейфер опубликовал книгу «Иллюстрации к Хаттоновой теории Земли» (Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth), которая была более доходчивой и стала популярной среди читателей (к тому же в ней были иллюстрации Джона Клерка, друга Хаттона, которые помогали понять, что имел в виду ученый).

Потребовалось еще одно поколение, чтобы революционные научные идеи получили признание в геологическом сообществе. Это произошло благодаря молодому человеку по имени Чарльз Лайель (рис. 5.4), который родился в 1797 г. – год смерти Хаттона. Изначально он изучал юриспруденцию, чтобы стать адвокатом, но вскоре она ему наскучила, и в качестве хобби он занялся молодой наукой геологией. Он много путешествовал по Европе, наблюдал разнообразные геологические явления и изучал их с униформистской позиции Хаттона. Итогом стало появление главного труда Лайеля, «Основные начала геологии» (Principles of Geology), который вышел в трех томах с 1830 по 1833 г.

Рис. 5.4 Чарльз Лайель в последние годы жизни, после того как он был посвящен в рыцари и стал одной из самых уважаемых фигур в науке благодаря своим книгам об униформистском подходе к геологии. Источник: Wikimedia Сommons

Эта книга написана как краткое юридическое обоснование (которое, о чем вам скажет любой юрист, никогда не бывает кратким). Собрав все наблюдения из путешествий и выводы из прочитанных работ, Лайель использовал свои навыки юриста, чтобы выдвинуть решающие аргументы в пользу униформистского взгляда на геологические процессы. Как любой хороший юрист, он применил методы дискредитации своих противников-катастрофистов, одновременно излагая неопровержимые доказательства собственной правоты. Он подтвердил идеи Хаттона, касающиеся «великой тепловой машины Земли», сославшись на многочисленные сообщения об извержениях вулканов и о горячих источниках, особенно на юге Италии. Последние авторитетные катастрофисты и нептунисты сдались через несколько лет, и геология стала той наукой, какой мы ее знаем.

06. Камень, который горит. Промышленная революция
Уголь

Зовут Полли Паркер, мой род из Уорсли,

Работают в шахте отец мой и мать,

В семье семь детей, и поэтому в шахте

Мне тоже приходится спину ломать.

Вам можно жалеть мой удел безотрадный,

Труд в поте лица, только мне все равно.

Я песню пою и не падаю духом,

Пусть угольщицей мне прожить суждено.

Опасности всюду меня окружают,

Когда надо мной лишь канат или цепь –

Потоки ворвутся, пожар запылает,

Завалит породой, разрушится крепь.

Но как вы бы жили без нашей работы,

Пришлось бы жестоко вам всем голодать.

Мы благо приносим, и, право, не стоит

Вам бедную угольщицу презирать.

Схоронены целыми днями в тоннелях

Без теплого солнца, и темень кругом,

А ночью срываемся часто с постели:

Вода появилась, бежим босиком.

Черны наши лица, одежда в лохмотьях,

Зато мы добры, и свободен наш род,

Пускай мы всего лишь добытчики угля,

Но наши сердца больше, чем у господ.

«Угольщица». Старинная шахтерская песня

Кусок угля

В Китае люди добывали уголь еще за 4 тысячелетия до н. э.: здесь он в основном использовался для каминов и печей. Но примерно в 1000 г. до н. э. китайцы уже использовали уголь для выплавки меди. Марко Поло после своего путешествия на восток с 1271 по 1295 г. рассказывал, как китайцы использовали «черные камни… которые горят, как бревна». Он поражался изобилию угля: его было так много, что люди могли мыться горячей водой три раза в неделю.

Однако уголь использовался в Европе с древних времен, а к Средним векам, когда жил Марко Поло, про него просто забыли. Около 300 г. до н. э. греческий философ Теофраст описывал его в своем геологическом трактате «О камнях»:

Среди камней, что выкапывают ради пользы, те, что зовутся антраксы [уголь], состоят из земли, но, будучи подожженными, загораются, как древесный уголь. Эти камни есть в Лигурии… и в Элиде, где люди идут в Олимпию горной дорогой; там их используют кузнецы.

Установлено наличие угля в погребальных кострах на английских стоянках бронзового века (три тысячелетия до новой эры). К 200 г. н. э. римляне вели добычу на большинстве угольных месторождений Англии, Шотландии и Уэльса. Уголь использовался не только в печах для плавки металлов, но и для очагов, для центрального отопления вилл и нагрева воды в римских банях – например таких, которыми знаменит английский город Бат^[22].

Промышленная революция

В Средние века и примерно до 1700 г. уголь оставался второстепенным топливом, поскольку его было трудно добывать, в то время как древесина и другие горючие материалы имелись в избытке. Все изменилось, когда в конце XVIII в. началась промышленная революция. Хотя широко использовались водяные колеса и другие источники энергии, рек для снабжения крупных заводов стало недостаточно, и к 1830 г. в Англии закончились подходящие речные участки. Поэтому изобретение паровой машины в конце XVIII в. обеспечило практичный источник большого количества энергии, которая шла на работу фабрик или приводила в движение корабли и паровозы. Для небольших паровых машин можно было использовать дрова, однако крупным машинам требовался более дешевый и более концентрированный энергоресурс. Уголь стал первым великим топливом промышленной революции и дал человечеству возможность вступить в индустриальную эпоху (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Старинная литография, изображающая тяжелый труд по добыче угля. Источник: Shutterstock

После начала промышленной революции в Великобритании страна одной из первых занялась крупномасштабной добычей угля. К 1800 г. британцы добывали 83 % мирового угля – особенно на огромных угольных месторождениях в Южном Уэльсе, в центральной и северной Англии от Манчестера до Ньюкасла и в южной Шотландии (рис. 6.2). На пике своего развития в 1947 г. британская угольная промышленность насчитывала около 750 тысяч горняков, работавших в десятках шахт.

Рис. 6.2 Основные угольные месторождения Великобритании в XIX в. Источник: Wikimedia Сommons

Однако добыча угля была грязным, опасным и часто сопряженным со смертельным риском занятием. Поначалу вся власть принадлежала хозяевам, а рабочим приходилось мириться со всеми условиями предприятия – иначе они умерли бы от голода. И эти условия были ужасны. При добыче угля часто выделяется много испарений, которые могут быть токсичными или взрывоопасными (либо токсичными и взрывоопасными одновременно), поэтому распространенной проблемой в угольных шахтах в течение многих лет были взрывы. Шахтеры брали с собой в клетке какую-нибудь птичку (обычно канарейку), потому что она была более чувствительной к газам и реагировала до того, как их могли заметить сами шахтеры, – отсюда и существующее в английском языке выражение canary in a coal mine («канарейка в угольной шахте») для обозначения того, что предупреждает нас о предстоящих проблемах. При добыче угля также образовывалось огромное количество черной угольной пыли, которая попадала в дыхательные пути, поэтому многие горняки умирали от пневмокониоза – болезни черных легких. Кроме того, угольные шахты нередко обрушивались, погребая заживо сотни рабочих.

Еще ужаснее, что в XIX в. на угольных шахтах приходилось трудиться детям в возрасте от 8 лет (рис. 6.3). При малом росте они могли работать в более ограниченном пространстве. В частности, им доверяли важную функцию – открывать и закрывать дверки, чтобы пропускать вагонетки и предотвращать скопление газов. В XVIII–XIX вв. дети работали в шахте как взрослые мужчины – по 12 часов 6 дней в неделю с единственным выходным в воскресенье. Большую часть времени они сидели в кромешной тьме, зажигая свечу только при необходимости, и прислушивались к грохоту вагонеток, чтобы без задержки пропускать их. В холодные и короткие зимние дни эти дети вставали затемно, работали полную смену и возвращались домой после наступления темноты, а потому видели дневной свет только по воскресеньям.

Рис. 6.3 Архивная фотография детей, ведущих пони, на угольной шахте в Западной Вирджинии (около 1908 г.). Источник: Wikimedia Сommons

Смертность в шахтах ужасала. Только в США в период с 1900 по 1950 г. погибло более 90 тысяч горняков, а в одном лишь 1907 г. случилось 3200 смертей. Даже при современном регламенте обеспечения безопасности с 2005 по 2014 г. в среднем умирало 28 горняков ежегодно, что делает эту профессию одной из самых опасных. Если шахтер не погибал внезапно от взрыва, обвала или пожара, он все равно умирал молодым от болезни черных легких. Благодаря упорной работе профсоюзов шахтеры в ХХ столетии постепенно начали добиваться уступок от угольных баронов, и в конце концов появились законы, которые вводили нормы безопасности, сокращали время рабочей смены и запрещали детский труд.

По мере того как промышленная революция распространялась на другие регионы мира, обнаруживались новые колоссальные залежи угля; это способствовало быстрому броску к индустриализации. В США крупные месторождения угля нашлись в Аппалачах (западная Пенсильвания, Вирджиния, Западная Вирджиния и прилегающие районы Кентукки, Огайо и Теннесси). К 1870 г. на этих месторождениях добывали 40 млн тонн угля, а затем каждые 10 лет добыча удваивалась. К 1900 г. показатель взлетел до 270 млн тонн, а пик в 680 млн тонн пришелся на 1918 год, потому что во время Первой мировой войны возник огромный спрос на уголь для кораблей и заводов.

В Германии угольные месторождения аналогичного масштаба нашлись в долине реки Рур; вместе с залежами железа неподалеку они сделали Рурскую область промышленным центром. В 1850 г. здесь на одной шахте в среднем работало всего 64 человека, и она давала около 7700 тонн, а общий объем добычи составлял 2 млн тонн. К 1900 г. каждая из этих же шахт выдавала по 226 тысяч тонн, там работало в среднем по 1400 человек, а общий объем добываемого угля увеличился до 54 млн тонн. Месторождения угля были также открыты во многих других европейских странах, включая Францию, Бельгию, Австрию, Венгрию, Испанию, Польшу и Россию. Со временем добыча угля распространилась по всему миру, и к 1900 г. крупные месторождения активно разрабатывали в России, Индии, Японии, Австралии, Новой Зеландии и Южной Африке. Ныне ведущей угледобывающей страной в мире стал Китай: в 2008 г. здесь было получено свыше 2,8 млрд тонн, то есть примерно 40 % всей мировой добычи угля. В других странах запасы истощены, либо же добываемый уголь содержит много серы (из-за чего добыча приводит к кислотным дождям), либо разработка месторождений стала нерентабельной в условиях конкуренции с более дешевыми источниками энергии.

«Угленосная свита»

Поиски ископаемого угля не только имели большое экономическое значение для промышленной революции, но и способствовали первым геологическим исследованиям в Великобритании и во всем мире. Как только начали изучать крупные угольные месторождения, было установлено, что большая часть британского угля заключена в определенной толще горных пород. В начале 1700-х гг. в Британии ее называли «угленосной свитой» (Coal Measures), и это обозначение стало основой для геохронологического термина «каменноугольный период», или «карбон» (Carboniferous в переводе с английского «угленосный»), который был официально предложен Уильямом Конибером и Уильямом Филлипсом в 1822 г., почти на столетие позже.

Одним из пионеров геологии был Джон Стрейчи (1671–1743), сквайр из Сомерсета, который интересовался разработками угля вблизи своего поместья и на его территории. В 1719 г. он опубликовал знаменитую диаграмму (рис. 6.4), которая показывает один из первых когда-либо представленных в чертеже реальных геологических разрезов. Сначала он нанес на карту угольные пласты на поверхности и измерил их толщину (мощность) и наклон (угол падения). Затем правильно построил проекции погружающихся пластов под землей, продемонстрировав, как они должны вести себя в трех измерениях. С помощью такой диаграммы Стрейчи мог не только установить свои права на какой-либо участок, но и предсказать местоположение, мощность и потенциальное количество угля в конкретной области, а также указать, где его следует искать. Это был гигантский скачок по сравнению с тем, как действовали целые поколения горняков, которые просто натыкались на обнаженный угольный пласт на поверхности и начинали его раскапывать, прослеживать на глубину. Как мы увидим в главе 7, его метод имел решающее значение не только для Сомерсета, но и для всей Великобритании: он способствовал пониманию стратиграфической последовательности, которую спустя примерно 70 лет выстроит Уильям Смит.

Рис. 6.4 Знаменитый новаторский геологический разрез Джона Стрейчи для угольных месторождений в его районе^[23]. Составлено по нескольким источникам

Почему же такие обширные залежи угля по всему миру появились именно в каменноугольный, а не в какой-либо другой период истории? Это произошло из-за уникального сочетания ряда геологических событий. Прежде всего, до позднего девона не существовало наземных растений размером с дерево, а в карбоне начали появляться огромные древовидные плауны, гигантские хвощи и густые папоротниковые леса. Они характерны для районов с густой болотистой растительностью, которые формировались в речных поймах, дельтах рек и прибрежных лагунах вдоль окраин возникшего примерно тогда Аппалачского хребта в Северной Америке и сходных с ним по происхождению гор в Евразии – поднявшихся в результате столкновения разных материков, образовавших суперконтинент Пангея.

Эти гигантские топи, разверзшиеся в тропических регионах Евразии и Северной Америки, были не похожи на те болота, что возникали позднее. В современных трясинах обитает множество термитов и других организмов, которые разлагают органику: они быстро разрушают деревья, когда те умирают, падают и погружаются в стоячую воду. Однако в каменноугольном периоде еще не было насекомых, умеющих переваривать древесину. Таким образом, огромные объемы растительности погружались в застойные кислые илы угольных болот и оставались захороненными в земной коре, а не перегнивали, как это происходит сегодня.

Фотосинтез вытянул из атмосферы огромное количество углекислого газа, и этот углерод оказался заточён в земной коре в виде угля. В итоге «парниковый» климат раннего карбона – с отсутствием полярных ледяных шапок, большим содержанием углекислого газа в атмосфере и высоким уровнем океана, затопившего большую часть континентов, – к позднему карбону трансформировался в планетарные «ледниковые» условия: ледяная шапка на Южном полюсе, уменьшенное содержание углекислого газа и гораздо более низкий уровень моря, поскольку в процессе образования этих полярных льдов вытягивалась вода из океанских бассейнов. Такая «ледниковая» обстановка доминировала на планете почти 150 млн лет.

За последний миллиард лет Земля много раз переключалась со стадии «парника» на стадию «ледника» и наоборот. В отличие от неуправляемого «парника», которым является Венера (в ее атмосфере полно серной кислоты, а температура столь высока, что достигает уровня плавления свинца), или замерзшего «снежка» Марса, на Земле существует жизнь, которая регулирует углеродный цикл нашей планеты. Углерод находится в земной коре в форме известняков (состоящих в основном из раковин и других ископаемых организмов) и угля (порожденного растениями). Живые системы Земли действуют как термостат, не позволяя ей превратиться в неконтролируемый «парник» или неконтролируемый «ледник».

Угольное проклятье

К сожалению, та же добыча угля, которая запустила промышленную революцию, теперь может сделать нашу планету необитаемой. С начала XVIII в. мы сожгли миллионы тонн угля и тем самым выпустили в воздух многие миллионы тонн углекислого газа, некогда запертого в земной коре. Весь этот углекислый газ, в уникальных условиях каменноугольного периода пойманный и заблокированный, теперь создает планетарный «суперпарник» быстрее, чем когда-либо в геологическом прошлом. Те первопроходцы, которые стали добывать уголь для своих паровых двигателей, невольно нарушили хрупкий баланс углерода в атмосфере нашей планеты, океанах и земной коре.

Помимо того, что уголь – один из худших производителей парниковых газов среди всех видов ископаемого топлива, он несет и другие угрозы. Добыча в шахтах, необходимая для получения доступа к глубоким угольным пластам, всегда была опасна для здоровья и жизни рабочих; кроме того, после нее остаются переработки, рудничные отвалы пустой породы и бассейны токсичного шлама, а также разбитые жизни. Еще более разрушительна добыча открытым способом, когда удаляют огромное количество почвы и вскрыши (породы, покрывающей залежь), чтобы добраться до слоя угля под поверхностью. В процессе этой деятельности изменяются обширные территории и наносится большой ущерб окружающей среде. Когда-то при открытых разработках предприятия просто оставляли на земле колоссальные кучи отвалов и затопленные карьеры, превращавшие ландшафт в изуродованную пустошь. Сейчас, в связи с установлением экологических норм, горнодобывающие компании должны после извлечения угля возвращать пустую породу на прежнее место, а затем проводить рекультивацию – воссоздавать сельскохозяйственные угодья или восстанавливать первоначальное состояние конкретной территории, каким оно было до вмешательства человека. Во многих случаях это обессмысливает добычу открытым способом, потому что уголь не приносит достаточного количества денег, чтобы компенсировать огромные затраты на его получение и рекультивацию. В последнее время используется метод «удаления вершины холма», когда горнодобытчики снимают всю верхнюю часть возвышенности, чтобы добраться до угольного пласта, а затем сбрасывают пустую породу в долину и полностью меняют природный рельеф.

Еще одна беда, которую несет добыча угля окружающей среде, – кислотные дожди. Если в угле много серы, при его сжигании на электростанции образуется серная кислота, которая затем разносится ветром и убивает все, куда попадает вместе с дождями. Кислотные дожди чуть не уничтожили Шварцвальд на юге Германии и серьезно повредили леса на северо-востоке США. Закон о чистом воздухе^[24] 1970 г. установил экологические нормативы, поэтому стоимость добычи угля с высоким содержанием серы увеличилась, а многие шахты в Аппалачах и Иллинойсе закрылись из-за нерентабельности. Гораздо выгоднее стало добывать уголь с низким содержанием серы из бассейна реки Паудер в Вайоминге. Сейчас создана система ограничений выбросов и торговли эмиссионными квотами, которая препятствует сжиганию высокосернистого угля, так что экологический ущерб от него резко сократился.

По изложенным причинам из всех видов ископаемого топлива именно уголь считается одним из самых разрушительных для окружающей среды и одним из наиболее опасных для шахтеров и для людей вообще. Введенные нормы уменьшили воздействие кислотных дождей, ограничили разрушение ландшафта и снизили риски в работе горняков, однако по-прежнему уголь остается серьезным источником парниковых газов. Многие экологи долгое время боролись за то, чтобы найти способы постепенно полностью отказаться от него и заменить более чистыми источниками энергии.

По иронии судьбы эту задачу в значительной степени выполнила не система регулирующих мер, а «невидимая рука» свободного рынка, о которой писал Адам Смит. Прорывы в гелиотехнологиях, дешевое солнечное электричество, энергия ветра, падение цен на нефть в период с 2014 по 2017 г. и особенно избыток природного газа привели к удешевлению электроэнергии – до такого уровня, что в большинстве регионов мира уголь уже не конкурентоспособен. В 2016 г. о банкротстве объявила Peabody Energy, крупнейшая угольная компания Северной Америки, а добыча угля на востоке США практически прекратилась. Те же самые силы почти полностью остановили разработку угля в Соединенном Королевстве, и все, что осталось от некогда обширных британских и валлийских угольных месторождений, – это закрытые шахты и обезображенный ландшафт. Единственная страна, которая по-прежнему добывает и сжигает много ископаемого угля, – Китай, ныне крупнейший в мире его производитель. Однако Китай тоже пытается постепенно отказаться от добычи угля и от угольных электростанций из-за загрязнения воздуха ядовитыми газами и уже предпринял серьезные шаги в этом направлении.

Уголь был тем топливом, которое питало промышленную революцию и строило современный мир. Тем не менее сжигание углерода, некогда сокрытого в коре, поспособствовало тому, что будущие поколения ждет новый парниковый мир. К счастью, эпоха угля подходит к концу; но вопрос, сможем ли мы уменьшить сжигание других видов ископаемого топлива в достаточной степени, чтобы избежать катастрофы, остается открытым.

07. Карта, изменившая мир: Уильям Смит и горные породы Британии
Мир Юрского периода

Органические окаменелости для натуралиста – то же самое, что монеты для антиквара; это древности планеты, которые совершенно отчетливо показывают ее постепенное закономерное формирование – через различные изменения обитателей водной стихии.

Уильям Смит

Разрез Земли

Абраам Готтлоб Вернер, Джеймс Хаттон и большинство натуралистов конца XVIII в. концентрировались на масштабном теоретическом понимании Земли. Они исходили из примеров обнажений в Шотландии, Германии и других местах и на основании этих ограниченных данных делали обобщения, распространяя их на всю историю Земли. Одни ошибались (Вернер), другие в целом были правы (Хаттон). Все они были состоятельными джентльменами, которым не требовалось зарабатывать на жизнь, или учеными, занимавшими солидные должности, и вполне могли проводить время по своему желанию. У них были образование, деньги и свободное время – ресурсы, необходимые для занятий геологией, которая была для них всего лишь хобби, а не профессией.

Однако взрывной рост добычи угля в конце XVIII в. породил потребность в более практическом, детальном, локальном понимании Земли. Как мы видели в главе 6, людям, ищущим уголь, требовалось составить карту распределения угольных пластов и предсказать, где их будет больше. Новаторский геологический разрез угольных месторождений Сомерсета, сделанный Джоном Стрейчи в 1719 г. (рис. 6.4), стал первой попыткой изобразить поперечное сечение верхней части коры, визуализировать ее строение на небольшую глубину. Однако большинство естествоиспытателей того времени не интересовались такой кропотливой работой, как составление карт и вычерчивание разрезов; натуралисты предпочитали создавать обобщенные и масштабные умозрительные модели Земли, сидя в своих креслах, а не изучать детально реальные обнажения. Кроме того, для ландшафта Великобритании и большей части Европы характерна густая растительность, поэтому выходы пород на поверхность встречаются очень редко, и в большинстве мест трудно получить представление о той геологической структуре, что находится под вашими ногами.

Уильям Смит (1769–1839) не был богатым британским джентльменом, как большинство основоположников геологии (рис. 7.1). Его отец, кузнец Джон Смит, умер, когда Уильяму было всего 8 лет, и он не располагал преимуществами, которыми пользовался высший класс. Однако мальчик рос очень сообразительным и трудолюбивым. Он не ограничился рамками своего скромного школьного образования, проявив особые способности к математике и рисованию. В 18 лет Смит поступил в ученики к Эдварду Уэббу – геодезисту, работавшему в Глостершире. Юноша быстро стал отличным специалистом, способным справиться практически с любым проектом.

Рис. 7.1 Портрет Уильяма Смита. Источник: Wikimedia Сommons

В 1791 г. его наняли для работы в поместье Саттон-Корт в Сомерсете – именно там более 70 лет назад занимался изысканиями Стрейчи. Смит познакомился с картами и разрезами Стрейчи и во многом основывался на них при выборе маршрутов по той же местности. Вместе с Уэббом они 8 лет работали над планом, обдумывая пути для прокладки каналов в Сомерсете, особенно Сомерсетского угольного канала (рис. 7.2). В то время в Англии существовало множество каналов, поскольку промышленная революция требовала дешевых методов транспортировки в крупные промышленные города угля и других товаров. У Смита появилась необычная возможность увидеть свежие обнажения коренных пород на большей части территории Англии, включая районы, которые обычно покрыты растительностью и с трудом поддаются картированию. Он также обследовал и детально изучил многие угольные шахты в этом регионе и повидал больше разрезов земной коры, чем любой британец до него.

Рис. 7.2 (А) Нынешние остатки Сомерсетского угольного канала, землемерные съемки для которого в 1790-е гг. проводил Уильям Смит. Фото автора. (В) Дом Уильяма Смита в Такинг-Милл – деревне южнее Бата, где он жил во время работы на Сомерсетском угольном канале. Это единственный сохранившийся дом из тех, где жил Смит. Фото автора

Большинство горных пород Оксфордшира и Сомерсетшира – часть знаменитой юрской толщи (рис. 7.3), которая дала множество окаменелостей морских рептилий, аммонитов и других морских обитателей на побережье в Лайм-Риджисе. Стратиграфические элементы этой толщи знамениты не только окаменелостями, но и красочными и причудливыми названиями: Голубой лейас (основной слой с окаменелостями в Лайм-Риджисе), Сланцы с говядиной^[25], Мергели Блэк Вена, Слои Зеленые аммониты^[26], Корнбраш («Кукурузная каша»), Коралловая группа, Нижний оолитит, Лесной мрамор, Киммеридж и знаменитая Оксфордская глина, где были обнаружены не только окаменелости беспозвоночных, но и многие морские рептилии. Некоторые из этих названий (например, Корнбраш) были придуманы самим Уильямом Смитом и используются до сих пор^[27]. В юрском известняке Тайнтон к северо-востоку от Оксфорда обнаружили окаменелости первого получившего название динозавра – мегалозавра (Megalosaurus), хотя официально у этой окаменелости не было имени до 1824 г., да и общий термин «динозавры» появился только в 1842 г.

Рис. 7.3 Стратиграфический разрез юрских отложений в центральной Англии. Составлено по нескольким источникам

Фаунистическая преемственность

Когда Смит увидел раз за разом повторяющуюся стратиграфическую последовательность юрских слоев в западной Англии, он выделил не только сами эти формации, но и характерные окаменелости, обнаруженные в каждой из них (рис. 7.4). Что еще более важно, он понял, что сходные по виду горные породы лучше всего различать по их окаменелостям. Этот принцип известен как закон фаунистической преемственности (или последовательности) и служит фундаментом для биостратиграфии и определения возраста горных пород по их специфическим окаменелостям. Со временем Смит мог понять, в каком месте геологического разреза он находится, исключительно по окаменелостям – даже не видя горных пород, которые там нашли. Обращавшиеся к нему за консультацией состоятельные геологи поражались его способности правильно определить, откуда взяты те или иные окаменелости из их коллекций, и умению расположить эти коллекции в надлежащем стратиграфическом порядке.

Рис. 7.4 Открытия Смита базировались на тщательном наблюдении и идентификации окаменелостей в каждом слое. (A) Иллюстрация из публикации Смита. (B) Фотографии некоторых окаменелостей Смита, которые сейчас хранятся в музейных коллекциях. Источник: Wikimedia Сommons

Смит составил списки окаменелостей, характерных для каждой формации, и к 1799 г. они стали широко известны среди британских геологов. Однако ученый не публиковал свою работу еще свыше 10 лет – он был слишком занят созданием первых геологических карт Англии. В 1799 г. он составил карту горных пород вокруг Бата и Сомерсета, а к 1801 г. у него была готова, в черновом варианте, карта многих стратиграфических подразделений Англии. Она стала основой для самого дерзкого его проекта – полной геологической карты всей Англии и Уэльса (рис. 7.5). В течение нескольких лет он работал как независимый геолог-изыскатель, исследуя и нанося на карту все горные породы Британии, которые мог найти, а также выполняя заказы видных персон, занимавшихся изучением земель в своих крупных поместьях.

Рис. 7.5 Геологическая карта Англии, Уэльса и части южной Шотландии, составленная, нарисованная и опубликованная Смитом в 1815 г. Источник: Wikimedia Сommons

Поскольку Смит не установил собственный приоритет, другие геологи пользовались его открытием и нарабатывали на этом себе репутацию. Кроме того, Смит страдал от предрассудков состоятельных и принадлежащих к высшим сословиям господ, которые считали его простым наемным работником (к ним тогда относили инженеров и изыскателей). Для большинства из них геология была увлечением, а не «вульгарным» средством заработка. Смит стал одним из немногих людей, кого можно было считать профессиональным геологом, поскольку он трудился над решением геологических проблем за деньги.

Между тем идея фаунистической преемственности оказалась настолько ценной, что вскоре к ней пришли во Франции. Барон Жорж Кювье и Александр Броньяр нанесли на карту пласты Парижского бассейна и в конечном итоге тоже установили последовательность французских горных пород и окаменелостей. Высказываются мнения, что Броньяр мог слышать об открытиях Смита во время поездки в Англию в 1806 г., хотя французы настаивают на том, что Кювье и Броньяр пришли к тому же выводу самостоятельно. Как бы то ни было, идея преемственности фауны в то время определенно витала в воздухе.

Тюрьма и признание

Большую часть своего заработка Смит тратил на путешествия и нанесение на карту всей территории Британии. В конце концов он опубликовал первую геологическую карту Англии (1815 г.), которая настолько хороша и удобна выбранным масштабом, что ее можно использовать и сегодня (рис. 7.5). Геолог Саймон Винчестер назвал ее «картой, изменившей мир», потому что она положила начало современной геологии как науке, изучающей трехмерное расположение горных пород во времени и пространстве и то, что могут такие данные рассказать нам об истории Земли, о появлении горных поясов, перемещении древних морей и особенно о распределении важных месторождений полезных ископаемых. С тех пор каждый геолог в начале своего профессионального пути учился составлять геологические карты, потому что это один из самых важных инструментов в науке о Земле.

В 1817 г. Смит взял свою карту и начертил на ней замечательный поперечный разрез, охватив всю южную часть Англии и Уэльса. Разрез протянулся от древних пород горы Сноудон в северном Уэльсе на одном конце до совсем молодых эоценовых пород под Лондоном на другом (рис. 7.6). Впервые кто-то смог изобразить геологический разрез в таком крупном масштабе и показать, что последовательность пород по всей Англии отличается четкой закономерностью, которую легко понять и представить в виде наклонного пакета слоев горных пород. Сегодня для иллюстрации этой идеи мы указываем на места вроде Большого каньона, однако первым продемонстрировал это явление Смит, причем у него не было примеров столь хороших обнажений, которые можно увидеть с одного ракурса. Хотя сам Смит никогда не занимался философскими рассуждениями о том, что это означает, его схема послужила основой для классической стратиграфической колонки и геохронологической шкалы, которая сейчас всем нам так хорошо знакома (рис. 7.7).

Рис. 7.6 (А) Составленная Смитом в 1815 г. схема геологического разреза от Уэльса до Лондона: от горы Сноудон и старейших пород в западном Уэльсе до молодых пород в районе Лондона. (В) Современный вариант того же геологического разреза с подразделениями, выделенными Смитом в 1815 г. Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 7.7 Схема, показывающая известную последовательность окаменелостей по состоянию на 1840-е гг., построенную на принципе фаунистической преемственности (последовательности) Смита^[28]. Источник: Shutterstock

Другие ученые того времени, такие как Жорж Кювье и Альсид Д'Орбиньи во Франции, пытались увязать эту сложную схему из десятков различных фаунистически охарактеризованных уровней с реальной геологической летописью без учета времени, однако идея, согласно которой все горные породы мира можно объяснить единственным актом Творения и единственным Всемирным потопом, оказалась быстро дискредитированной. Д'Орбиньи даже предположил, что в истории было 29 отдельных актов сотворения мира и потопов, не описанных в Библии, но старые представления, составлявшие вернеровскую «потопную» геологию, в любом случае были разрушены, когда геологи впервые нанесли на карту и задокументировали реальную последовательность горных пород.

К сожалению, разные люди не стеснялись плагиата и без зазрения совести публиковали дешевые подделки подробной карты Смита, поэтому геолог практически не получил прибыли от своего грандиозного труда. Его карты и схемы не покупали, он влез в долги и в 1819 г. на несколько недель оказался в долговой тюрьме. Когда Смита наконец освободили, он обнаружил, что дом, где он прожил 14 лет, и все его имущество конфискованы. Пришлось зарабатывать на жизнь путешествующим изыскателем, пока о его бедственном положении не узнал сэр Джон Джонстон – один из тех, кто поддерживал геолога в лучшие годы. Джонстон дал ему постоянную работу в Скарборо, своих йоркширских владениях. Там Смит не только улучшил свои карты восточной Англии, но и создал Ротонду – музей, посвященный геологии побережья Йоркшира. Это один из старейших специализированных музеев Великобритании. Смит предложил выстроить его в форме высокой круглой башни, а экспозиция окаменелостей служила иллюстрацией его теории. Окаменелости и породы расположились в том порядке, в котором они встречались в природе: самые молодые – в витринах наверху, старейшие – внизу. Очередность размещения вдоль стен отражала систему залегания этих пород на побережье Йоркшира. За прошедшие почти 200 лет со дня открытия музей обновляли и реконструировали, он и поныне пользуется популярностью.

Уже в конце жизни Смит наконец обрел признание за всю свою новаторскую работу. В 1831 г. его наградили первой медалью Волластона^[29], и Геологическое общество Лондона назвало Смита отцом английской геологии. В 1835 г. Тринити-колледж в Дублине присвоил ему почетную докторскую степень, а в 1838-м его назначили одним из уполномоченных лиц, выбиравших место для нового Вестминстерского дворца. Он умер в возрасте 70 лет в 1839 г. и был погребен в Нортгемптоне; могилу его можно увидеть на кладбище церкви Святого Петра в Марфэре.

Гораздо важнее то, что открытый им закон фаунистической преемственности стал основой для определения геологического времени. Смит также составил первую геологическую колонку для целого региона, а разработанная им геологическая карта с тех пор служит важнейшим инструментом всей геологии. Это действительно карта, изменившая мир.

08. Часы в камне: Артур Холмс и возраст Земли
Радиоактивный уран

[Концепция геологического времени] делает вас шизофреником. Эти две шкалы времени – одна человеческая и эмоциональная, другая геологическая – просто несопоставимы. Но ощущение геологического времени – важная вещь, которую нужно донести до тех, кто не является геологом: даже крохотная скорость геологических процессов – сантиметры в год – приводит к огромным последствиям, если эти процессы продолжаются достаточно долго. Миллион лет на геологической шкале времени – малое число, а человеческий опыт вообще мимолетен – опыт всего человечества, а не одна жизнь. Лишь изредка эти две шкалы времени совпадают.

Элдридж Мурс. Из книги Джона Макфи «Собирая Калифорнию»

Возможно, несколько нескромно спрашивать возраст у нашей Матери-Земли, однако наука не признаёт стыда и время от времени смело пытается вырвать у нее тайну, которая, как известно, хорошо охраняется.

Артур Холмс. Возраст Земли

Тупик

Джеймс Хаттон писал, что мы не находим у Земли «следов начала», а после того как в 1830 г. из печати вышел первый том «Основных начал геологии» Чарльза Лайеля, почти все геологи согласились с тем, что Земля чрезвычайно стара. Но насколько стара? Какое число мы можем предложить для возраста Земли?

Проблема была сложной, однако она не обескураживала ученых, которые пробовали всевозможные изобретательные решения. Самый распространенный метод заключался в том, чтобы сложить максимальную толщину всех осадочных пород на Земле, вычислить, сколько времени потребовалось бы для отложения этих слоев, и получить оценку для минимального возраста. Например, собираем данные о максимальной мощности кембрия по всей Земле, максимальной мощности ордовика и так далее, а затем оцениваем, как долго мог длиться кембрий или ордовик, если взять типичную скорость накопления отложений. Большинство таких оценок дают примерно 100 млн лет, что, как мы теперь знаем, отличается от реальности почти в 50 раз. Почему? Применявшие все эти ранние методы пользовались в расчетах ложными исходными предположениями. Важнее всего было то, что они не учитывали эрозионные перерывы в геологической летописи, известные как несогласия, когда породы, представляющие какой-либо временной интервал, просто отсутствуют. Более поздние исследования показали, что в геологической летописи полно такого рода лакун и действительно «пробелов больше, чем записей». Некоторые геологи в ту пору уже подозревали, что подобные несоответствия могут представлять определенную проблему, но никто не мог знать, насколько серьезной она оказалась.

Затем появилась знаменитая оценка ирландского физика Джона Джоли. Он попытался рассчитать, сколько времени потребуется океанам, чтобы перейти от пресного состояния к их нынешнему уровню солености, если известна скорость, с которой соль попадает в океаны из рек мира. Он тоже получил величину 80–100 млн лет, отличающуюся от истинной более чем в 50 раз. Что же пошло не так? Проблема снова заключалась в ошибочных предположениях: Джоли исходил из того, что океаны постоянно накапливали соль с момента своего образования. Однако на самом деле содержание соли в океанах не особо меняется с течением времени, потому что основная ее часть блокируется в соляных отложениях в земной коре; в результате поддерживается равновесие, и количество соли в морской воде остается весьма стабильным.

Самую известную и авторитетную оценку предложил прославленный физик Уильям Томсон (позднее получивший титул лорда Кельвина). Он сделал значительные открытия в области физики, а именно в термодинамике. Температурная шкала Кельвина названа в его честь: он впервые ввел понятие абсолютного нуля температуры (теперь обозначается как 0 K). Кстати, единица измерения температуры в этой шкале называется «кельвин», а не «градус Кельвина», поэтому рядом с буквой K не ставится значок градуса. Он также был выдающимся изобретателем и помог создать систему трансатлантических кабелей, которая обеспечила телеграфную, а затем и телефонную связь между Европой и Северной Америкой. В общем, он выделялся среди ученых своего времени, и мало кто осмеливался с ним не соглашаться.

В 1862 г. Кельвин занялся вопросом возраста Земли, используя методы термодинамики. Он предположил, что Земля начиналась как расплавленный шар с той же температурой, что и Солнце, и что она охлаждалась с определенной скоростью, которую можно измерить по теплу, идущему из земных недр. С помощью этого метода он вычислил, что Земле всего 20 млн лет, и эта величина оказалась намного меньше, чем та, которую было готово принять большинство геологов. Такой небольшой возраст стал проблемой и для Чарльза Дарвина, который понимал: для того чтобы его недавно предложенная концепция эволюции работала, Земля должна быть очень старой. Оценка Кельвина, казалось, не давала достаточного срока.

До конца XIX в. физики и геологи находились в тупике. Ни одна из сторон не могла понять аргументы другой или увидеть изъяны в собственных расчетах. К концу века геологи начали уступать и подгонять свои результаты, сдвигаясь от первоначальных значений 80–100 млн лет до чисел, близких к кельвиновским 20 млн лет. Физике тогда завидовали столь же сильно, как и сейчас! Однако у оценки Кельвина была та же проблема, что и у других: ошибочные предпосылки. Кельвин рассчитал охлаждение Земли, предположив, что планета пользовалась только тем теплом, которое получила при возникновении Солнечной системы, и никаких других источников тепла у нее не было. Сейчас мы знаем, что это не так: Земля действительно имеет дополнительный источник тепла.

Она радиоактивна!

В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель открыл радиоактивность, а в 1903-м Мария и Пьер Кюри показали, что радиоактивные материалы (например, радий) выделяют много тепла. В то время главным авторитетом Англии по отношению к этому новому источнику энергии был Эрнест Резерфорд, физик родом из Новой Зеландии. В 1904 г. он собирался выступить в Королевском институте Великобритании с рассказом о своем новом открытии и вдруг понял, что в аудитории находится 80-летний лорд Кельвин. Молодой ученый намерился оспорить оценку возраста Земли, сделанную самым известным в мире физиком! Позже Резерфорд вспоминал:

Я вошел в полутемное помещение, быстро заметил в аудитории лорда Кельвина и понял, что меня ждут неприятности в последней части выступления, посвященной возрасту Земли, – там, где моя точка зрения расходилась с его взглядами… К моему облегчению, Кельвин вскоре уснул, но когда я дошел до важного момента, увидел, как опытный старикан приподнялся, открыл глаза и посмотрел на меня недобрым взглядом. Внезапно на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при условии, что не будет открыт новый источник [тепла]. Это пророческое высказывание относилось к тому, о чем мы сейчас говорим – к радию! Смотрите! Старик засиял, глядя на меня^[30].

Оценка Кельвина базировалась на ошибочном предположении, что у планеты нет других источников тепла, кроме его первоначального запаса, содержащегося в расплавленной массе; в результате Земля должна остывать не долее чем 20 млн лет. Однако радиоактивность как раз и обеспечивает дополнительную энергию. В действительности она дает так много энергии, что сейчас это единственный источник измеряемого тепла из недр Земли. Первоначальное тепло, выделившееся при охлаждении Земли, как считал Кельвин, рассеялось миллиарды лет назад – возможно, в течение 20 млн лет после образования нашей планеты 4,6 млрд лет назад.

Геологическое время

Беккерель, Кюри и Резерфорд положили начало физике и химии радиоактивности, и открытия их показали, что предположение Кельвина об отсутствии дополнительного тепла было неверным. Но они не были геологами, которых живо интересовала бы проблема возраста Земли. Зато двое других ученых, Бертрам Болтвуд и Артур Холмс, поняли, что радиоактивность не только объясняет, откуда берется тепло, опровергающее предположение Кельвина, но и дает ответ на вопрос: «Сколько лет Земле?»

Путь к ответу прост, хотя многие понимают этот метод неправильно. В природе существует всего несколько элементов, которые являются радиоактивными и самопроизвольно распадаются: родительский атом (например, уран-238, уран-235 и калий-40) превращается в стабильный дочерний атом (свинец-206, свинец-207, аргон-40 и кальций-40), и скорость этого процесса достаточно мала, что позволяет использовать его для геологического датирования. Скорость распада известна точно, поэтому если мы сможем измерить в образце количество родительских атомов и количество дочерних, то их соотношение и будет мерой того, как долго происходил распад.

Конечно, при работе с настоящими горными породами возникает много сложностей, поэтому должны соблюдаться особые условия. Распад измеряется с момента кристаллизации минерала, вот почему метод в основном применим к магматическим породам, образующимся в результате остывания магмы, – например, потокам лавы, слоям вулканического пепла или внедряющимся магматическим телам, формирующим дайки. Геохронологи (специалисты по радиометрическому датированию) стараются получить как можно более свежие кристаллы, чтобы не было ни утери, ни добавления родительских или дочерних атомов – такие утечки и загрязнения могут исказить измеряемое соотношение. Заранее устранить ожидаемые проблемы и правильно калибровать используемый для надежного определения возраста прибор (его называют масс-спектрометром, поскольку он разделяет разные изотопы и измеряет их массу) помогают разнообразные лабораторные процедуры. Наконец, каждая радиометрическая дата сопровождается оценкой погрешности, основанной на том, насколько воспроизводимым может быть каждый полученный результат. Например, если указывается возраст в 100 млн лет ± 5 млн лет, это означает, что с вероятностью в 95 % истинный возраст лежит где-то между 95 млн лет и 105 млн лет.

Однако в 1900 г., когда радиоактивность только начинали изучать, все это не было известно. Физики пытались датировать горные породы, измеряя количество гелия – газа, выделяющегося при распаде урана, но уловить весь гелий почти невозможно. Другой метод нашел химик из Йельского университета Бертрам Болтвуд: он обнаружил, что уран в результате радиоактивного распада превращается в свинец. Следуя предположению Резерфорда, Болтвуд обратил внимание на то, что породы, заведомо более старые, содержат больше свинца, чем молодые. К сожалению, в то время господствовало самое примитивное понимание схемы превращения урана в свинец. В частности, Болтвуд не знал, что существуют два радиоактивных изотопа урана (уран-238 и уран-235), у которых разные скорости распада и разные дочерние изотопы свинца. И все же после анализа имевшихся у него образцов химик в 1907 г. получил величины от 400 млн лет до 2,2 млрд лет (единица в миллиард лет называется гигагодом и в зарубежной литературе обозначается Ga – сокращение латинского gigaannum). Это стало первым подтверждением догадки, что в действительности Земле уже миллиарды лет, как давно подозревали геологи, и что оценка Кельвина далека от истины. Увы, позднее Болтвуд начал страдать от тяжелой депрессии, и его исследования зашли в тупик. В 1927 г. он покончил с собой.

Игры с датировкой

Первые анализы Болтвуда показали, что возраст некоторых горных пород достигает 2,2 млрд лет, но дальше ученый не продвинулся. Задача превратить зарождающуюся геохронологию в строгую науку выпала на долю молодого британского геолога Артура Холмса (рис. 8.1). Холмс родился в 1890 г. в крохотном городке Гейтсхед (недалеко от Дарема и границы с Шотландией) в семье со скромным достатком. Изначально он планировал изучать физику в Королевском научном колледже (ныне Имперский колледж Лондона), но на втором году обучения вопреки советам наставников прошел курс геологии и нашел свое истинное призвание.

Рис. 8.1 Молодой Артур Холмс в 1912 г., когда он окончил учебу и начинал свою карьеру в геохронологии. Источник: Wikimedia Сommons

Холмс оказался блестящим студентом и вскоре занялся исследованиями. Он ухватился за горячую проблему радиоактивности и понял, что датирование уран-свинцовым методом, описанное в статье Болтвуда 1907 г., имеет огромные перспективы. Для своего проекта он использовал норвежский гранит девонского периода. Холмс прервал рождественские каникулы и провел их в Лондоне, работая в одиночестве в тихой лаборатории. Его научный руководитель физик Роберт Стретт отмечал:

В настоящее время мы в значительной степени существуем за счет заимствованного оборудования, часть которого принадлежит другим общественным организациям, таким как Королевская обсерватория, Королевское общество и т. д., а часть была одолжена у владельцев. Едва ли стоит напоминать: то, что преподаватели Имперского колледжа вынуждены выпрашивать учебное оборудование у своих личных друзей, кажется несколько ниже достоинства такого учреждения.

В январе 1910 г. Холмс в одиночку продолжал работу в тиши холодной лаборатории. В агатовой ступке он измельчал породу в порошок из минеральных зерен, переплавлял эти зерна в платиновом тигле с бурой, растворял их в чрезвычайно едкой плавиковой кислоте (см. главу 11), а затем снова и снова кипятил раствор, измеряя выделение радона (косвенно определяя тем самым содержание урана в породе). Содержание свинца молодой ученый измерял так: сплавлял порошок в лепешку, затем кипятил, дважды растворял в соляной кислоте, а после этого давал испариться всей содержащейся воде. Далее он нагревал остаток в сульфиде аммония, и в результате свинец выпадал в осадок в виде сульфида свинца (известного как минерал галенит). Этот осадок Холмс собирал на фильтре, сушил, прокаливал, обрабатывал азотной кислотой, кипятил, обрабатывал серной кислотой и снова нагревал. «В результате, – писал Холмс, – оставалось чуть-чуть белого осадка. Его собирали на очень маленьком фильтре, промывали спиртом, сушили, прокаливали и взвешивали с максимально возможной точностью». Часто оставалось всего несколько миллиграммов вещества.

Эти сложные химические манипуляции требовали невероятного терпения, исключительной ловкости и большого количества времени; часто в течение таких процедур расходовался почти весь первоначальный образец. В довершение всего результаты нужно было проверить, поэтому весь анализ ученый повторял от двух до пяти раз – в зависимости от того, сколько исходного вещества у него оставалось. Однажды ему пришлось отказаться от всех полученных данных, потому что в помещение просочился радон. В других случаях возникала необходимость просить в Британском музее еще один образец, так как первоначальный материал закончился. Однако в конце концов вся эта тяжелая работа окупилась, и Холмс получил надежную величину для возраста девонского гранита из Норвегии – 370 млн лет. Геолог значительно усовершенствовал подходы Болтвуда и доказал, что уран-свинцовый метод датирования действительно помогает определить возраст горных пород. Полученные результаты были опубликованы Холмсом в 1911 г. – через год после окончания колледжа.

Все годы учебы Холмс жил на крохотную стипендию в 60 фунтов в год; он был так беден, что на время ушел из колледжа и занялся поисками полезных ископаемых в Мозамбике, чтобы заработать приличные деньги. За 6 месяцев он ничего там не нашел и так сильно пострадал от малярии, что коллеги отправили его семье письмо с сообщением о его смерти. В конце концов он выздоровел и вернулся на судне домой, где стал ассистентом (преподавателем на низкой должности) в своей альма-матер – Имперском колледже Лондона. Там он возобновил изучение уран-свинцового метода, выяснив, что у свинца и урана существуют по два разных изотопа и это нужно учитывать при определении возраста пород.

К 1913 г. у Холмса накопилось так много новых данных и так много усовершенствований используемого метода, что в 23 года он сумел написать новаторскую книгу «Возраст Земли» (The Age of the Earth). В ней автор не только объяснил основные принципы геохронологии и обсудил недостатки предыдущих методов датирования возраста Земли, но и окончательно опроверг ошибочную оценку лорда Кельвина. Он установил возраст некоторых старейших пород Британии – 1,6 млрд лет, однако отказался строить предположения о возрасте планеты. Последующие издания книги включали результаты анализа все более и более древних образцов, и к 1950-м гг. у Холмса появилась величина 4,6 млрд лет – современная оценка возраста нашей планеты. Самые ранние работы принесли ученому в 1917 г. докторскую степень в Имперском колледже Лондона. Однако в Европе бушевала Первая мировая война, и жить на жалкую зарплату ассистента было трудно. Чтобы заработать деньги для семьи, он решил снова попробовать себя в качестве геологоразведчика – на этот раз в одной нефтяной компании в Бирме в 1920 г. Но компания обанкротилась, и в 1924 г. Холмс вернулся в Англию без гроша в кармане. Это была не единственная беда: вскоре после приезда в Бирму заболел дизентерией и умер его трехлетний сын.

К счастью, после его возвращения в 1924 г. репутация и научные достижения позволили ему получить должность ридера^[31] геологии в Даремском университете – недалеко от места его рождения. Там он проработал следующие 18 лет, преподавая геологию, дополняя и уточняя базу радиометрических данных со всего мира. Труды Холмса в этой области были настолько авторитетными, что его называли отцом геохронологии или отцом геологической шкалы времени. В 1943 г. ученый переехал к северу от шотландской границы в Эдинбургский университет, где провел последние 13 лет своей карьеры – до выхода на пенсию в 1956 г. в возрасте 66 лет.

Пионер тектоники плит

За годы преподавания геологии в колледже Холмс обрел достаточный опыт, чтобы написать вводное пособие по геологии. Книга «Принципы физической геологии» впервые появилась в 1944 г., а впоследствии выдержала множество изданий и стала учебником для целых поколений британских студентов-геологов. Однако эта книга не совсем традиционна. В последней главе первого издания Холмс изложил спорную идею дрейфа континентов, выдвинутую немецким метеорологом Альфредом Вегенером еще в 1915 г. (см. главу 18). Большинство геологов тогда категорически отвергли эту гипотезу, однако Холмс видел доказательства – горные породы в Африке, которые соответствовали породам Южной Америки.

Холмс пошел еще дальше. Зная, как радиоактивность вызывает нагрев земных недр, он разобрался с загадкой Хаттоновой мысли о «великой тепловой машине Земли». В статье, опубликованной в 1931 г., Холмс впервые предположил, что это тепло вызывает мощные конвекционные течения в мантии, которые в свою очередь перемещают расположенные выше континенты (рис. 8.2). Он даже выдвинул предположение, что морское дно должно расширяться, за десятилетия до обнаружения первых свидетельств такого расширения (спрединга) в конце 1950-х гг.

Рис. 8.2 Составленная Холмсом схема конвекции в мантии, которая перемещает континенты. Из книги «Принципы физической геологии» (Лондон, 1944)

На склоне лет ученый начал получать заслуженные награды за почти единоличное решение проблемы геохронологии. В 1940 г. Геологическое общество Лондона присудило ему медаль Мэрчисона, в 1942 г. он стал членом Королевского общества, в 1946 г. – обладателем медали Волластона. В 1956 г. ему вручили медаль Пенроуза – высшую награду Геологического общества США. За год до смерти, в 1964 г., за свой вклад не только в геохронологию, но и в новую область тектоники плит Холмс был удостоен премии Ветлесена, которую иногда называют Нобелевской премией по геологии.

09. Посланцы из космоса: происхождение солнечной системы
Хондриты

За рамками души большинство видов искусства черпают вдохновение в природе. Для меня эстетические метеориты – наилучшее приближение к способности созерцать то, что есть на небесах.

Дэррил Питт

Гром среди ясного неба

8 февраля 1969 г. над поселком Пуэблито-де-Альенде в мексиканском штате Чиуауа стояла тихая ночь. Все спали. Внезапно в 1:05 с юго-запада появился огромный огненный шар: стало светлее, чем днем. Метеорит размером с автомобиль летел со скоростью 16 км в секунду (5800 км в час). Жителей разбудили звуки несущегося в воздухе камня, охваченного пламенем, а затем мощного взрыва, сотрясшего землю при ударе. Этот удар разбросал обломки по территории длиной 50 км и общей площадью около 250 кв. км. По форме зона поражения представляла собой овал, в самом широком месте достигавший 8 км. По этому пространству разлетелись тысячи мелких фрагментов не только самого метеорита, но и ударного кратера – образовавшейся при столкновении воронки.

Когда рассвело, перепуганные люди вышли из своих домов посмотреть, что произошло. Это стало понятно, когда они нашли сотни кусков рухнувшего той ночью камня из космоса. К счастью, не было ни убитых, ни раненых, и метеорит не нанес серьезного ущерба. Местные власти и жители стали искать осколки камня из космоса.

Едва новость распространилась, ученые попытались добраться до места события. Геолог из Хьюстонского университета Элберт Кинг, специализировавшийся на метеоритах, описал это в своей книге 1989 г. «Полет на Луну: личный рассказ о программе "Аполлон" и ее научной основе»^[32]:

Во время безуспешных поисков места падения одного метеорита недалеко от Кросби (Техас) я услышал в автомобиле по радио об очень ярком огненном шаре, который видели в южной части Нью-Мексико, в Техасе и северной Мексике. Я вернулся в свой офис и попросил секретаршу, свободно говорившую по-испански, сделать несколько звонков. Сначала я связался с редактором газеты в городе Чиуауа. У нас был долгий разговор о явлениях, сопровождавших падение метеорита, однако вблизи Чиуауа ничего не падало. Наконец я задал ему правильный вопрос: «Вы знаете кого-нибудь, у кого есть части метеорита?» «О да», – ответил он и предложил мне позвонить редактору газеты в городе Идальго-дель-Парраль, который находится гораздо южнее. Моя секретарша добралась до сеньора Рубена Рохи Чавеза, редактора Correa del Parral. Он описал, как сияющий огненный шар с громким взрывом разлетелся на части посреди ночи и разбросал осколки над большой территорией около Парраля. У Чавеза на столе лежало несколько осколков метеорита, и он описал их мне. Сомнений не было – у него находились фрагменты только что упавшего каменного метеорита! Он пригласил меня посетить Парраль, чтобы увидеть эти части и собрать образцы. Я поблагодарил его за информацию и приглашение и сказал, что приеду как можно скорее.

Быстрая проверка расписания авиакомпаний показала, что добраться до Парраля будет непросто. Я мог прилететь в Эль-Пасо, но это все равно было в трехстах с лишним милях к северу от Парраля. Однако более быстрого способа не нашлось. Секретарша обещала разобраться с документами. Я заскочил домой за одеждой и направился в аэропорт.

Самолет вылетел вовремя, но, как назло, из-за неисправного указателя положения шасси мы приземлились в Сан-Антонио и задержались там на 5 часов, пока его меняли. Когда я прибыл в Эль-Пасо, уже стемнело. Я прошел таможенный досмотр, взял напрокат машину и поехал на юг. Было важно сразу же получить части метеорита, чтобы измерить их радиоактивность с коротким периодом полураспада. Это было бы отличной практикой для Лаборатории измерения радиации, входившей в Лабораторию лунных исследований (LRL) в Хьюстоне. По мексиканским дорогам трудно ездить в темноте. Оптимальный метод – следовать в девяноста метрах за каким-нибудь автомобилем с мексиканскими номерами. Некоторые водители мчались со скоростью почти 130 километров в час, и когда я видел включившиеся стоп-сигналы или облако пыли, то понимал, что водитель заметил на шоссе какого-нибудь осла. Я прибыл в Парраль сразу после рассвета, поселился в гостинице, умылся, выпил крепкого кофе, съел яичницу с тортильей и пошел искать редакцию газеты. Пришлось ждать, когда придет редактор. Я поразился, увидев два больших куска метеорита на его столе. Один весил больше 14 килограммов.

Самым большим сюрпризом стал тип метеорита – редкий углистый хондрит. Хондриты – это каменные метеориты, включающие хондры – небольшие силикатные шарики неясного происхождения. Углистые хондриты содержат большое количество углерода и органических соединений. Пока я стоял в кабинете Чавеза, зазвонил телефон. Редактор передал трубку мне. Это оказался коллега из Смитсоновского института, который хотел получить информацию о метеорите. Он позвонил в мой офис в Хьюстоне, где моя секретарша сообщила ему номер редакции газеты. Я рассказал то немногое, что знал. Я спросил редактора о его планах на два куска, лежащие на его столе. Он ответил, что они предназначены для Национального музея. Я согласился, что это совершенно правильно, но мне не терпелось найти другие фрагменты. Редактор сказал, что я должен посетить мэра – руководителя местного муниципалитета. Меня должны были считать официальным представителем NASA. Мэр, сеньор Карлос Франко, был чрезвычайно любезен, и хотя мой испанский язык был скудным, а он плохо говорил по-английски, наша встреча оказалась весьма приятной. Используя редактора в качестве переводчика, я объяснил, насколько важны для науки метеориты в целом и что этот конкретный метеорит относится к очень редкому типу. Сеньор Франко горел желанием помочь мне и выделил одного из своих полицейских и служебную машину на все время, пока они мне были нужны.

Мы ездили по местам, где были найдены куски метеорита. Найти новые образцы оказалось несложно. Маленькие кусочки метеорита были у всех, но мне хотелось найти фрагменты покрупнее. Я покупал их у местных жителей, а полицейский служил переводчиком и вел переговоры. Мы задокументировали несколько мест, где были найдены части метеорита. Камни выпали на большой территории. Один крупный камень оказался всего в 9 метрах от почтового отделения в Пуэблито-де-Альенде. Обычно метеориты получают имя по названию ближайшего почтового отделения, и этот образец почти назвал сам себя. Мы услышали множество историй об огненном шаре, о направлении его движения, о громких раскатах грома, о падающих повсюду камнях и о том, как люди посреди ночи бежали в церковь. Я унес 13 фрагментов метеорита, в том числе два крупных – на тот момент этого было достаточно.

Вслед за Кингом приехали многие другие ученые из музеев и университетов со всего мира, и вскоре начались поиски как можно большего количества фрагментов метеорита Альенде. Событие пришлось на особенно важный период в изучении метеоритов, потому что благодаря полетам «Аполлонов» планетология активно развивалась и финансировалась. Двое членов экипажа «Аполлона-11» (Нил Армстронг и Базз Олдрин) стали первыми людьми на Луне, а их высадка на Луну произошла всего через несколько месяцев после падения метеорита Альенде. В совокупности специалисты собрали тысячи фрагментов общим весом более 3 тонн, но и сегодня, примерно полвека спустя, люди все еще находят мелкие частицы. Небольшие фрагменты массой всего в один или два грамма сейчас продаются через интернет и вполне доступны по цене. Благодаря проявленному интересу Альенде остается наиболее изученным метеоритом в истории.

Следы ранней солнечной системы

Метеорит Альенде принадлежал, как уже сказано, к важному и редкому классу углистых хондритов. Большинство известных метеоритов этого класса найдены много лет назад и давно лежат в витринах музеев. До появления Альенде наиболее изученным из углистых хондритов был метеорит Оргей, упавший во Франции еще в 1864 г. Есть еще несколько более мелких экземпляров, однако их почти не удалось исследовать. Все короткоживущие изотопы, имевшиеся в метеорите Оргей, давно распались, а некоторые метеориты выветрились и претерпели изменения, поскольку долго лежали на земле, прежде чем их нашли. Что касается Альенде, его материал можно было подвергнуть анализу всего через несколько дней после падения: он не успел выветриться или загрязниться посторонними веществами.

Итак, хондриты – особый класс метеоритов, появившийся на заре формирования Солнечной системы еще до образования планет. Возникли хондриты из пыли и обломков протопланетного облака или из меньших планетарных тел, которые так и не стали достаточно большими, чтобы обзавестись отдельными ядрами и мантиями; поэтому хондриты дают ценные сведения о раннем этапе эволюции Солнечной системы. Название они получили от обнаруженных в них крошечных элементов – хондр^[33], которые представляют собой еще более старые фрагменты первоначальной Солнечной системы, слипшиеся вместе при образовании метеорита (рис. 9.1).

Рис. 9.1 Срез метеорита Альенде, показывающий плотно уложенные шарики первоначального вещества Солнечной системы – хондры. Источник: Wikimedia Сommons

Мелкие хондриты не являются редкостью (они составляют около 86 % всех метеоритов, и в коллекциях находится 2700 их образцов), за некоторыми исключениями. Среди таких раритетов углистые хондриты, к которым относится Альенде: их менее 5 % от общего количества хондритов. Свое название они получили по причине относительно высокого содержания в них углерода по сравнению с составом других метеоритов; зачастую они все еще включают водосодержащие соединения, относившиеся к изначальной Солнечной системе. Как предполагается, такая особенность связана с тем, что углистые хондриты образовались дальше от Солнца, чем другие метеориты, и поэтому нагревались недостаточно, чтобы содержащиеся в них углерод или вода исчезли.

Как только образцы метеорита Альенде попали в лаборатории, ученые выжали из этих фрагментов всю возможную информацию. Общий состав породы, окружающей хондры, дал хорошее представление о структуре первоначального пылевого кольца Солнечной системы. Некоторые специалисты сосредоточились на химическом составе хондр, найденных в метеорите. Наиболее интересные из них – включения, богатые кальцием и алюминием (CAI)^[34]. Их состав поистине необычен: помимо кальция и алюминия, обнаружили еще кремний, кислород, железо и другие элементы. Это совершенно не характерно для остальной части ранней Солнечной системы, поэтому считается, что хондриты образовались в высокотемпературном (более 1300 К) протопланетном диске материи на самой ранней стадии Солнечной системы – до того как сконденсировалась основная доля прочего материала.

Углистые хондриты не только дают представление о начале истории Солнечной системы, но и говорят о протяженности ее формирования. В метеорите Альенде есть хондры (включая CAI), для которых уран-свинцовый метод датирования дает возраст 4,567 млрд лет. Иными словами, они на 30 млн лет старше Земли и примерно на 200 млн лет старше самых древних горных пород и минералов на нашей планете. CAI, найденные в углистом хондрите из северо-западной Африки, дали возраст 4,568 22 ± 0,000 17 млрд лет, что делает этого «пришельца» самым старым из когда-либо датированных объектов, и эта величина – хорошая оценка для момента начала формирования Солнечной системы.

Исследования метеорита Альенде и других углистых хондритов продолжаются, поскольку специалисты разрабатывают новые методы, которых не было в 1969 г., и получают новые результаты. В 1971 г. ученые обнаружили крошечные черные отметины (до 10 трлн на кв. см), которые свидетельствовали о воздействии радиации. Это доказывает, что метеорит образовался не вблизи нашей планеты (которая защищена от излучения своим магнитным полем), а далеко от Земли и до того, как у нее появилось магнитное поле, – в те времена, когда объекты Солнечной системы (в том числе древнейшие лунные породы) подвергались интенсивному воздействию радиации. В той же лаборатории Калифорнийского технологического института, которая впервые проанализировала лунные породы (ее в шутку называли Сумасшедшим домом^[35]), в 1977 г. обнаружили, что метеорит Альенде содержит формы кальция, бария и неодима, а также криптон, ксенон, азот и другие более редкие элементы, которые, по-видимому, появились из-за ударной волны от какой-то сверхновой: не исключено, что это событие способствовало формированию Солнечной системы.

Еще важнее, что метеорит Альенде оказался богат магнием-26 – редким изотопом, который образуется при распаде радиоактивного алюминия-26. Такой стремительный распад должен был происходить вскоре после образования Солнечной системы. Однако обилие магния-26 в Альенде заставляет предположить, что когда-то этим элементом были богаты все породы Солнечной системы, включая те, которые образовали первоначальную Землю. Если так, можно решить давний вопрос: что именно разогрело раннюю Землю и заставило ее плавиться, отделяя ядро от мантии? Ответ: при массовом распаде алюминия-26 в ранней Земле выделялось более чем достаточно тепла, чтобы многократно расплавить планету.

Жизнь в метеоритах?

Вообще 1969 год оказался весьма знаменательным в деле изучения метеоритов. 28 сентября недалеко от деревни Мурчисон в австралийском штате Виктория упал еще один углистый хондрит (рис. 9.2). Местные жители около 11 утра увидели огненный шар, затем услышали звук его прохождения через атмосферу, а еще примерно через 30 секунд после появления шара ощутили сотрясение. Метеорит уже в полете развалился на три крупных куска, а после удара раскололся вдребезги, образовав поле разброса площадью более 13 кв. км. Были найдены сотни частей массой до 7 кг, а всего собрали более 100 кг фрагментов; один из осколков массой 680 граммов пробил крышу сарая, приземлившись в сено.

Рис. 9.2 Один из самых крупных фрагментов Мурчисонского метеорита, находящийся в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне. Источник: Wikimedia Сommons

Как оказалось, Мурчисонский метеорит еще более важен, чем большинство других углистых хондритов, потому что он содержит органические соединения, которых не находили ни в одном из предыдущих образцов. Первоначальные исследования обнаружили 15 аминокислот, а более поздние анализы с использованием усовершенствованных методов выявили до 70 аминокислот, а также многие другие сложные соединения. Открытие потрясло научное сообщество, потому что аминокислоты являются строительными блоками жизни, и считалось, что они могут рождаться только в небольших теплых водоемах Земли. Еще в 1953 г. в знаменитом эксперименте Миллера – Юри ученые смоделировали атмосферу и океан ранней Земли внутри лабораторного аппарата. Стэнли Миллер и лауреат Нобелевской премии по химии Гарольд Юри продемонстрировали, что простое нагревание смеси аммиака, метана, водорода и воды (но без свободного кислорода) могло на ранней стадии развития планеты породить большинство аминокислот, используемых жизнью^[36]. Теперь же Мурчисонский метеорит показал, что такой процесс действительно происходил, был широко распространен и аминокислоты образовались в ранней Солнечной системе задолго до того, как сформировалась наша планета. Некоторые ученые даже предположили, что жизнь на Земле зародилась из тех аминокислот, которые попали на планету из космоса, так что в некотором смысле у земной жизни внеземное происхождение.

Что еще более важно, в аминокислотах Мурчисонского метеорита были смешаны как правосторонние, так и левосторонние молекулы. Это присуще сложным химическим соединениям, в которых молекулы асимметричны и являются зеркальным отражением друг друга. Таким образом, даже если жизнь на нашей планете зародилась от аминокислот, принесенных метеоритами (или если она появилась самостоятельно в каком-нибудь маленьком теплом пруду на Земле), у всей земной жизни только один общий предок, потому что все биологически существенные молекулы (за исключением некоторых сахаров) левосторонние – это свойство они должны были унаследовать от какой-то одной ранней формы, в которой оказались только левосторонние молекулы.

Так что, когда вы в следующий раз посетите музей и увидите выставленный углистый хондрит (особенно если это будет фрагмент метеорита Альенде или Мурчисонского метеорита), проявите к нему уважение. Вероятно, это самый древний объект, с которым вы когда-либо встретитесь, и он является той частью Солнечной системы, что существовала еще до образования планет. Более того, в нем, возможно, таились зачатки зарождения жизни на Земле.

10. Ядра других планет
Железоникелевые метеориты

Когда я был маленьким, отец взял меня посмотреть метеоритный дождь, и мне было страшно, потому что он разбудил меня среди ночи. Сердце колотилось; я не знал, что он хочет делать. Он не сказал мне, просто посадил в машину, мы поехали, и я видел всех этих людей, лежащих на одеялах и смотрящих в небо.

Стивен Спилберг^[37]

Кратер споров

Если вы, оказавшись в пустыне Пейнтед-дезерт в штате Аризона, проедете по федеральной трассе I-40 29 км на запад из города Уинслоу или 60 км на восток из города Флагстафф, то увидите поворот на кратер Метеор (рис. 10.1). По знакам вы можете решить, что перед вами просто очередная приманка для туристов, но все не так – это одна из самых удивительных природных достопримечательностей в США. Ее не охраняют Служба национальных парков, Национальная лесная служба, Бюро по управлению земельными ресурсами или какое-либо другое государственное учреждение: она находится в частной собственности. Ранее кратер называли Каньон-Дьябло (Каньон Дьявола), по имени города-призрака примерно в 19 км к северо-западу^[38]. Другое бывшее название этого места – кратер Кун-Маунтин.

Рис. 10.1 Кратер Барринджера. (А) Вид сверху. (В) Вид с вала. Источник: Wikimedia Сommons

Сначала геологи, включая легендарного Грова Карла Гилберта из Геологической службы США, опубликовавшего статью о кратере Метеор в 1892 г., настаивали на вулканическом происхождении воронки. Это вполне естественно, поскольку в районе хватает вулканических кратеров, особенно к северу от Флагстаффа, где вершины Сан-Франциско и кратер Сансет – примеры совсем свежих вулканических процессов. У Гилберта была безупречная репутация. Он нанес на карту и описал многие основные характеристики плато Колорадо, доказал, что на месте Солт-Лейк-Сити и солончака Бонневиль некогда находились гигантские озера, а также приезжал в Сан-Франциско и задокументировал геологические изменения, вызванные мощным землетрясением 1906 г. (см. об этом в главе 23).

Гилберт тщательно исследовал кратер и заключил, что он вулканического происхождения либо образовался в результате взрыва перегретого пара. При этом геолог тщательно проверял и версию метеоритного удара. Главным аргументом против такой гипотезы для Гилберта было отсутствие метеоритного материала внутри кратера (хотя ему пришлось объяснить наличие метеоритного железа вокруг кратера совпадением – более ранним падением другого метеорита). Объем разрушенных пород вокруг вала соответствовал объему самого кратера, но в центре не было обнаружено ни избыточной массы железа и никеля, ни какой-либо магнитной аномалии, что указывало бы на наличие метеорита, захороненного глубоко под грунтом. В итоге большинство геологов встали на сторону Гилберта и не сомневались в том, что кратер представляет собой просто жерло вулкана.

Однако были те, кто не согласился с преобладающей точкой зрения. Один из них – минералог Альберт Фут. Несколькими годами ранее Фут получил образцы породы от руководителя местной железной дороги (тот строил железнодорожную линию, которая теперь проходит параллельно автомагистрали I-40) и сразу понял, что это обломки метеорита. Он организовал экспедицию к кратеру и нашел сотни фрагментов, в том числе один весом более 270 кг. Объект, от которого откололись эти фрагменты (рис. 10.2) относился к важному классу железоникелевых метеоритов, то есть состоявших в основном из двух этих металлов. В некоторых из обломков даже нашли крошечные алмазы, доказывающие, что они испытали экстремальные давления и температуры. Фут подробно описал кратер и опубликовал свои выводы в журнале Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS), который до сих пор является одним из наиболее престижных научных изданий в мире^[39].

Рис. 10.2 Часть железоникелевого метеорита Каньон-Дьябло. Источник: Wikimedia Сommons

Еще один человек, не согласившийся с вулканическим объяснением, – горный инженер и предприниматель Дэниел Барринджер. Еще в 1894 г. Барринджер заработал более 15 млн долларов на серебряном руднике Коммонвелф в округе Кочис (Аризона), поэтому у него были и опыт работы в горнодобывающей промышленности, и капитал для инвестиций. Он был настолько уверен, что кратер образовался при ударе метеорита, что поставил на это собственные средства. Его фирма Standard Iron Company приобрела землю в кратере и вокруг него, а затем в 1903 г. подала заявку на открытие рудника. Разрешение на покупку земли подписал не кто иной, как сам Теодор Рузвельт, причем президент даже позволил создать на краю кратера почтовое отделение для обслуживания места разработки – оно получило название Метеор (штат Аризона). Барринджер и его компания изучали кратер в 1903–1905 гг. и нашли убедительные доказательства того, что это действительно результат удара. Вокруг уже с первых дней обнаружилось около 30 тонн крупных метеоритных фрагментов, и Барринджер полагал, что основная часть метеорита должна лежать под дном кратера. Основываясь на своем опыте добычи полезных ископаемых, он подсчитал, что масса метеорита составляет 10 млн тонн, а это оценивалось в 1903 г. суммой более 1 млрд долларов.

Барринджер и его компания проявили колоссальную настойчивость. Они бурили дно кратера в течение 27 лет, достигнув глубины 419 м, но сколько-нибудь значительных залежей железа так и не обнаружили. Компания потратила на поисковые работы свыше 600 тысяч долларов, но сдалась, когда в 1929 г. Барринджер умер. Как бы ни был огорчен и разочарован этот предприниматель, он никогда не переставал верить в свою правоту; однако его неудача еще больше подтвердила убежденность большинства геологов в том, что кратер вулканического происхождения. По иронии судьбы астроном Форест Рей Молтон произвел в 1929 г. расчеты, которые показали, что метеорит должен был испариться и поиски Барринджера с самого начала были напрасными. Барринджер, по-видимому, читал статью Молтона перед смертью^[40].

Только в 1950-х гг. планетология развилась достаточно, чтобы ученые стали понимать: большинство метеоритов сгорают в атмосфере или испаряются при ударе, разбрасывая вокруг лишь небольшое количество первоначального материала. Впервые на это указал в 1930 г. Герман Лерой Фэйрчайлд – один из первых сторонников идеи, согласно которой образование ударных кратеров представляет собой важный процесс в истории Земли.

В 60–70-х гг. один из пионеров планетной геологии Юджин Шумейкер из Калифорнийского технологического института и Геологической службы США снял последние сомнения в ударном происхождении кратера Метеор (известного также как кратер Барринджера). Я познакомился с Юджином в Калтехе и провел немало магнитных анализов в лаборатории, где он работал. В 1960 г. Шумейкер взял пробы из кратера и обнаружил минералы коэсит и стишовит – формы кварца, которые образуются только под воздействием удара (или ядерного взрыва, там, где эти минералы и были впервые обнаружены). Это стало непреложным доказательством того, что аризонский кратер не образовался в результате извержения вулкана. Позднее Шумейкер составил новые подробные карты кратера. Он обнаружил, что слои ударных обломков, окружающих вал, уложены в обратном порядке: фрагменты из самой нижней части кратера (песчаник Коконино) располагаются наверху вала, а обломки самой молодой части (сланцы Моенкопи и известняк Кайбаб) залегают у основания. Такую нарушенную последовательность можно объяснить только тем, что удар поднял слои в месте попадания и откинул их в стороны; они опустились на землю уже в обратном порядке и раздробились.

Сегодня планетологи считают, что ударное тело было железоникелевым метеоритом, упавшим около 50 000 лет назад, когда по более влажным и лесистым ландшафтам позднего ледникового периода бродили гигантские ленивцы и мамонты. Палеоиндейцы еще не проникли в Северную Америку, поэтому свидетельств людей не нашлось. Первоначально метеорит был примерно 50 м в диаметре и весил почти 300 тысяч тонн, что более чем в 30 раз меньше, чем полагал Барринджер. Он летел со скоростью около 20 км в секунду (72 000 км в час) и врезался в Землю с мощью ядерной бомбы в 10 мегатонн. Существуют реальные кратеры, образовавшиеся в результате испытаний атомных бомб такой мощности, и они очень похожи на кратер Барринджера. Около половины первоначальной массы метеорита испарилось при ударе, а остальная часть была рассеяна по ландшафту, так что в самом кратере Барринджеру искать было нечего.

К счастью, имущественные права Барринджера перешли к его потомкам, так что его семья теперь владеет и управляет Центром для туристов и музеем, который находится на северном краю вала, оттуда открывается захватывающий вид на кратер. Наследники Барринджера зарабатывают на экскурсантах гораздо больше денег, чем Барринджер получал бы на добыче полезных ископаемых. Кратер Метеор использовался для тренировок астронавтов NASA, готовившихся к высадке на Луну, для метеорологических экспериментов, а также для съемок многочисленных фильмов – в качестве необычной и живописной декорации. В 1982 г. Метеоритное общество назвало свою высшую награду медалью Барринджера – в честь этого прорицателя, над которым смеялись все его современники-геологи и который потерял миллионы на своей мечте найти метеорит.

Гости с неба

Огромные куски железа, падающие с неба, производят впечатление на людей любой культуры, а некоторым из таких предметов даже поклонялись – как ниспосланным на Землю богами. Например, индейцы клакамас из Орегона поклонялись метеориту Уилламетт. Многие ученые полагают, что черный камень, вмонтированный в угол Каабы – святыни в Мекке, к которой ежегодно приезжают миллионы мусульманских паломников, – может оказаться железоникелевым метеоритом. Иногда метеориты этого вида служили источником металла для доисторических инструментов, но это стало не так важно в железном веке, когда плавка позволила использовать более доступные ресурсы.

Некоторые из этих «посланцев» поистине впечатляют своими размерами. Самый большой из них – метеорит Гоба в Намибии, который никогда не перемещали, поскольку он весит не менее 60 тонн (рис. 10.3). Его обнаружили в 1920 г., когда хозяин участка случайно задел его плугом при пахоте; метеорит был полностью погребен под землей, а кратер, который он мог образовать при падении, давно разрушился. Как предполагают, метеорит был так велик, что, по-видимому, замедлился в атмосфере до движения с установившейся скоростью падения^[41]. Возможно, он даже отскочил несколько раз из-за своей плитообразной формы и сглаженных плоских граней, поэтому силы удара не хватило для создания большого углубления или для испарения – явлений, происходящих со многими метеоритами. Сейчас это национальный памятник, защищенный от вандализма, и к нему ежегодно приезжают тысячи туристов.

Рис. 10.3 Метеорит Гоба в Намибии – крупнейший из когда-либо найденных. Он слишком велик для транспортировки, и его оставили на месте, сделав национальным памятником. Источник: Wikimedia Сommons

Еще один огромный объект – метеорит Мыс Йорк, упавший около географической точки, которая сейчас носит это имя, примерно 10 000 лет назад. Он раскололся на множество частей, а инуиты северной Гренландии веками использовали его фрагменты для изготовления железных инструментов – ножей, например, и гарпунов. Самая большая часть метеорита (рис. 10.4А) называется Анигито («палатка» в переводе с инуитского). Масса фрагмента – 31 тонна, размеры – 3,4 × 2,1 × 1,7 м (габариты небольшого грузовика). Второй фрагмент, названный Женщина (в переводе с инуитского), весил 3 тонны; третий, Собака, – 400 кг. Рассказы об этих объектах дошли до ученых еще в 1818 г., и между 1818 и 1883 гг. было организовано пять экспедиций, чтобы определить местонахождение источника всех метеоритных фрагментов. В конце концов в 1894 г. его нашел известный исследователь Роберт Пири (позднее, в 1909 г., он первым достигнет Северного полюса; впрочем, по этому поводу велись длительные споры, поскольку путешественник Фредерик Кук утверждал, что побывал на полюсе еще в 1908-м). Потребовалось три года, чтобы перевезти Анигито и другие части метеорита на побережье: для этого группе Пири пришлось построить маленькую железную дорогу (единственную, которая когда-либо существовала в Гренландии). Затем Пири продал метеорит Американскому музею естественной истории в Нью-Йорке за 40 тысяч долларов в ценах 1897 г., и он до сих пор там экспонируется. Это самый тяжелый метеорит из когда-либо перемещенных; чтобы не создавать нагрузку на пол здания, Анигито установили с опорой на специальные колонны, которые доходят до коренной породы под музеем.

Рис. 10.4 Фрагменты гигантского метеорита Мыс Йорк. (А) Анигито (Палатка) – крупнейший из фрагментов. Демонстрируется в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке. (В) Агпалилик (Мужчина); музей Копенгагенского университета. Источник: Wikimedia Сommons

В этом же музее находится самый известный из всех железоникелевых метеоритов – Уилламетт (рис. 10.5). Это наиболее крупный метеорит из когда-либо найденных в Северной Америке и шестой по величине в мире. Он был обнаружен недалеко от современного города Вест-Линн в долине Уилламетт штата Орегон индейцами клакамас, которые назвали его Томоновос (Гость с неба). Ударного кратера у метеорита Уилламетт не было, потому что его доставили ледники, перетащив из Монтаны или Канады около 13 000 лет назад. «Гость» весит 15 тонн, имеет длину около 3 м, ширину 2 м и толщину 1,3 м. Поселенец Эллис Хьюз якобы увидел его в 1902 г. (проигнорировав то, что он был уже известен индейцам) и понял, что метеорит находится на земле Орегонской металлургической компании. Тогда Хьюз тайно перевез его к своему дому, с большим трудом преодолев 1200 м за 3 месяца, а затем стал показывать его за плату. Однако Орегонская металлургическая компания, узнав об этом, подала в суд и выиграла дело, а в 1905 г. Верховный суд подтвердил ее права на метеорит. Впоследствии компания продала его вдове миллионера Уильяма Доджа за 26 тысяч долларов (около 700 тысяч долларов в современных ценах), которая передала его Американскому музею естественной истории. Теперь Уилламетт выставлен на всеобщее обозрение и впечатляет всех, кто на него смотрит. За сто с лишним лет его увидело более 40 млн человек – с этим не может сравниться никакой другой известный метеорит. В 1999 г. индейцы из резервации Гранд-Ронд потребовали вернуть метеорит им. В результате рассмотрения иска стороны пришли к соглашению: музей сохраняет метеорит, но клакамас имеют право раз в год проводить вокруг него свой ритуал. Если же музей когда-нибудь уберет метеорит из экспозиции, то он должен вернуться в Орегон. Пока же возле Музея естественной истории и развития культуры Орегонского университета в Юджине установили копию Уилламетта.

Рис. 10.5 Метеорит Уилламетт. Демонстрируется в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке. Фото автора

Фрагменты ядра

Железоникелевые метеориты представляют собой очень редкий и особый вид. К ним относится всего 6 % известных метеоритов, в то время как каменных метеоритов и хондритов гораздо больше. Но если вы попробуете поднять фрагмент такого метеорита, вас поразит его тяжесть. Железоникелевые намного плотнее каменных метеоритов или хондритов, и поэтому их масса составляет 90 % общей массы известных метеоритов. Такие образцы непропорционально часто оказываются в коллекциях, потому что характерно выглядят (даже для неспециалиста), более устойчивы к выветриванию на земной поверхности, а также лучше сохраняются при прохождении через атмосферу.

Как следует из названия, они состоят в основном из железа; примерно 5–25 % приходится на никель, а еще в их составе небольшое количество кобальта и других более редких элементов. Таким образом, по химической структуре они гораздо проще, чем каменные метеориты и хондриты, которые содержат множество разных веществ и минералов.

Однако самое интересное в железоникелевых метеоритах – то, что они предоставляют нам образцы вещества, составляющего ядро у многих планет (включая нашу). Анализ спектра некоторых астероидов (так называемый спектральный класс М) показывает, что у них тот же состав, что и у железоникелевых метеоритов. Геохимические исследования последних свидетельствуют, что первоначально они находились в ядрах крупных протопланет, которые с тех пор распались. В этих метеоритах также содержится магний-26, который указывает на радиоактивное тепло, расплавлявшее протопланеты и порождавшее дифференциацию: более плотные вещества (железо и никель) оседали в их ядра и отделялись от мантий.

Такая информация согласуется с тем, что сообщают нам о ядре нашей планеты геофизические данные. С помощью сейсмологии можно определить размер ядра: оно находится под мантией, начинаясь на глубине 2900 км. Сейсмология и гравитационные измерения показывают, что плотность ядра примерно в 10–12 раз больше плотности воды; это может обеспечить только какой-то очень плотный металл под огромным давлением. Наконец, наличие у Земли магнитного поля заставляет предположить, что ядро должно быть хорошим электрическим проводником: это наводит на мысли о таких металлах, как железо и никель. Благодаря метеоритам мы знаем, что только железо и никель были распространенными материалами в ранней Солнечной системе, которые соответствуют этим свойствам (плотность, электропроводность), а потому единственное разумное объяснение таково: в центре Земли находится железоникелевое ядро.

Свинец повсюду

Но сколько лет таким метеоритам, как Каньон-Дьябло из кратера Барринджера? В отличие от каменных метеоритов и хондритов, в которых содержатся силикатные минералы, в железоникелевых метеоритах есть только железо, никель и некоторые другие металлы (в частности, кобальт и свинец), поэтому невозможно использовать традиционные способы датирования – калий-аргоновый или рубидиево-стронциевый метод. Проблемы обнаруживаются даже с обычным уран-свинцовым датированием: ведь возраст пород превышает 4 млрд лет, и потому количество родительского урана в них так мало, что практически не поддается измерению. Какие методы годятся для таких древних объектов?

В 1948 г. за эту задачу взялся молодой химик Клэр Паттерсон (рис. 10.6). Паттерсон родился в Митчелвилле (штат Айова) в 1922 г. Он поступил в Гриннеллский колледж, а затем получил в Университете Айовы степень магистра в области масс-спектроскопии. Во время войны его с женой, тоже химиком по профессии (они познакомились в Гриннелле), привлекли к Манхэттенскому проекту, в рамках которого создавали первую атомную бомбу. Когда война закончилась, Паттерсон начал работать над докторской диссертацией в Чикагском университете. Его научный руководитель Харрисон Браун предложил метод датирования с помощью измерения дочерних продуктов свинца (свинца-206 и свинца-207), образующихся при распаде двух разных изотопов урана – урана-238 и урана-235. Поскольку уран превращается в свинец с разной скоростью в каждой системе, соотношение урана и свинца в них можно отобразить на графике, и наклон получающейся прямой укажет на возраст образцов. Еще один молодой ученый, Джордж Тилтон, занимался определением количества урана – для проверки получаемых результатов.

Рис. 10.6 Клэр Паттерсон в Калифорнийском технологическом институте. Источник: Caltech Archive

В теории все казалось просто, поэтому Паттерсон приступил к своим измерениям. К его ужасу, в полученных результатах был огромный разброс и явно слишком высокий уровень помех. Существовало что-то, добавлявшее свинец в систему; ученый измерял скорее фоновое загрязнение свинцом, нежели содержание его в самом образце. Паттерсон пытался устранить в лаборатории все загрязняющие факторы. В «чистом помещении» исследователи сначала принимали душ, а затем облачались в специальную защитную одежду (чтобы не разлетались посторонние вещества), натягивали бахилы, шапочки, хирургические маски. Все поверхности комнаты и аппаратуры содержали в стерильном состоянии. Снова и снова химики старались добиться, чтобы свинец извне никак не мог попасть в образцы и обесценить работу. Как только Паттерсон исключил любые нарушения чистоты в помещении, результаты резко улучшились. В 1953 г. ученый показал, что возраст метеорита Каньон-Дьябло равен 4,54 ± 0,05 млрд лет. Метеорит оказался самым старым объектом из всех датированных до этого момента, и поэтому возраст ядра Земли (и, вероятно, всей Солнечной системы) также должен составлять 4,5 млрд лет.

Тем временем Паттерсона назначили руководителем геохимической программы Калифорнийского технологического института, и он построил там новую идеальную по чистоте лабораторию. (В ней ученый трудился до своего выхода на пенсию, а мне удалось посмотреть его старую лабораторию, когда я побывал в Калтехе.) После этого Паттерсон задался вопросом, не загрязнена ли свинцом вся окружающая среда – даже воздух вне лаборатории. К тому моменту чувствительность его аппаратуры была настолько высока, что он мог обнаружить ничтожные количества свинца в воздухе, воде и многих других веществах. С удивлением и ужасом он обнаружил, что свинец присутствует почти везде – в том числе у нас в организмах, куда попадает вместе с водой и пищей. Изучив образцы воды из гренландских ледяных кернов, он установил, что такое загрязнение свинцом произошло совсем недавно. По сути, свинец начал появляться в то же самое время, когда нефтяные компании принялись добавлять его в бензин, чтобы уменьшить детонацию и стук в двигателях. Свинец также использовался в красках, глазури, контейнерах для пищевых продуктов и даже в системах водоснабжения. О том, что свинец токсичен, люди знали уже более века. Многие ученые считают, что одним из факторов, разрушивших Римскую империю, стало отравление свинцом питьевой воды, которая текла из труб. Тем не менее почему-то никто не думал, что добавление свинца в такое количество продуктов может потенциально загрязнять окружающую среду.

Паттерсон опубликовал свои результаты в 1965 г. и сразу же столкнулся с негативной реакцией со стороны влиятельных отраслей, которые травили людей, – включая нефтяные компании, предприятия, добывающие свинец, производителей свинцовых добавок и особенно их лоббистские группы. Компания Ethyl Corporation (выступавшая за добавление тетраэтилсвинца в бензин) нападала на него всеми доступными способами. Представляющий эту компанию химик-эксперт Роберт Кехо раз за разом свидетельствовал, что никаких проблем с загрязнением свинцом не существует.

Как не раз бывало в сражениях по поводу вреда табака, разрушающих озон хлорфторуглеродов и кислотных дождей, а сейчас в дискуссиях по ископаемому топливу, порождающему парниковые газы, влиятельные промышленные круги делают все возможное, чтобы дискредитировать и даже уничтожить ученых, которые угрожают их бизнесу, говоря правду. Известный лозунг одной табачной PR-фирмы гласил: «Наш продукт – сомнение». Они используют лоббистов и агрессивных наемных «экспертов», чтобы вызвать колебания и чувство неопределенности по отношению к проблеме, и умудряются влиять на политиков своими заявлениями (а также щедрыми вкладами в предвыборную кампанию).

Паттерсон подвергался многочисленным нападкам и оскорблениям со стороны ученых, которым платили нефтяная и свинцовая отрасли, и его исследования оказались под угрозой. К счастью, он работал в Калифорнийском технологическом институте, и его высоко ценили профессиональные ученые, не получающие жалованья от корпораций, поэтому он никогда не терял ни своей лаборатории, ни профессорской позиции. Однако многие исследовательские организации отказались предоставлять ему гранты, в том числе Служба общественного здравоохранения США (которая вроде бы должна защищать здоровье населения, а не прибыли корпораций). В 1971 г. Национальный научно-исследовательский совет исключил ученого из комиссии по загрязнению атмосферы свинцом, хотя Паттерсон был ведущим мировым экспертом по этой теме.

И все же начало 1970-х гг. ознаменовалось осознанием экологических проблем, и ситуация стала меняться. В 1972 г. появилось Агентство по охране окружающей среды США, а в течение следующих нескольких лет (особенно когда после выборов в Конгресс 1974 г. большинство в нем составили демократы) обе партии почти единогласно голосовали практически за все природоохранные законы. В то время экологическая повестка была популярна у обеих партий, и республиканцы еще не оказались в плену могущественных виновников загрязнений. К 1975 г. США потребовали использовать в автомобилях неэтилированный бензин и каталитические конвертеры (устройства, снижающие токсичность выхлопных газов), и к 1986 г. труды Паттерсона увенчались успехом: бензин больше не содержал свинца. Одновременно Паттерсон писал о проблеме попадания свинца в пищевые продукты: он сравнил уровень содержания свинца в современных рыбных консервах с количеством этого металла в скелетах перуанцев, умерших 1600 лет назад, которые ели много рыбы, но никогда не подвергались воздействию свинца из окружающей среды.

В 1978 г. как член комиссии Национального научно-исследовательского совета он выступил за дальнейшее снижение содержания свинца в окружающей среде. Большинство с ним не согласилось, поэтому он выразил особое мнение меньшинства в записке на 78 страницах с резкими формулировками. Так или иначе героическая борьба Паттерсона за науку и против загрязнителей сделала свое дело. К концу 1990-х гг. уровень свинца в крови среднего американца упал на 80 %. Все мы можем поблагодарить этого мужественного ученого, который начал с простой задачи датировки самых старых метеоритов в Солнечной системе, а закончил спасением планеты. Он дал нам наглядный урок научной честности и следования объективным данным – куда бы они вас ни вели, какие бы могущественные круги и беспринципные эксперты вам ни противостояли, – ради общего блага людей и планеты.

11. Зеленый сыр или анортозит? Происхождение Луны
Лунные камни

Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества.

Нил Армстронг

Гигантский скачок…

20 июля 1969 г. я, как и многие американцы, которым сейчас больше 55 лет, прилип к телевизору. В том месяце я гостил на ранчо у моих двоюродных братьев около Хот-Спрингс (Южная Дакота), получая опыт деревенской жизни: собирал яйца из-под куриц, катался на лошадях и тракторах, работал по дому и знакомился с родственниками. Мы всю неделю слышали о подготовке миссии «Аполлон-11», но сейчас нам предстояло стать свидетелями экстраординарного события: впервые человек ступает на Луну, и, что еще более удивительно для того времени, мир может это увидеть в прямом эфире по телевидению! В тот день мы собрались вокруг телевизора в маленькой гостиной, ожидая трансляции подготовки к первому выходу на Луну. Наконец волшебный миг настал, и миллионы людей во всем мире одновременно увидели одно из самых волнующих достижений в истории человечества.

Лунную гонку начал президент Джон Кеннеди в 1961 г., поставив задачу перед США и конкретно перед космической программой страны высадить человека на Луну до конца десятилетия. Мы сильно отставали от Советов в космической гонке с тех пор, как они первыми запустили спутник в 1957 г. – задолго до того, как это сумели сделать мы. Затем они отправили в космос первых животных, а в 1961 г. и первого человека – Юрия Гагарина (на месяц раньше американского астронавта Алана Шепарда). Первые американцы в космосе появились по программе «Меркурий», действовавшей между 1959 и 1963 гг., и всех нас поразил первый орбитальный полет Джона Гленна в 1962 г. В 1965–1966 гг. мы перешли к программе «Джемини»^[42]; экипаж из двух астронавтов на двух летательных аппаратах выполнял еще более сложные миссии, включая выходы в открытый космос и стыковку космических кораблей. Затем полеты трехместных кораблей по программе «Аполлон» нарабатывали опыт ради будущей высадки на Луну: каждый очередной полет был на все большее расстояние.

Наконец в тот исторический день 1969 г. «Аполлон-11» достиг Луны. Пока Майкл Коллинз оставался на окололунной орбите, Нил Армстронг и Базз^[43] Олдрин посадили лунный модуль на поверхность нашего спутника, затем совершили короткую прогулку по Луне (рис. 11.1), взлетели, вернулись на корабль и возвратились обратно на Землю. В каждой последующей миссии «Аполлонов» (от «Аполлона-12» до «Аполлона-17», за исключением злополучного «Аполлона-13», взрыв на котором сорвал миссию, а астронавты едва вернулись живыми) люди всё дольше оставались на Луне и добывали всё больше и больше образцов лунных пород. К тому времени, когда Конгресс в 1973 г. закрыл программу, на нашем спутнике в рамках 6 лунных миссий побывали 12 астронавтов, которые собрали огромное количество данных о Луне и привезли 381,7 кг лунных образцов. Единственным ученым, побывавшим на Луне, стал геолог Харрисон Шмитт, участвовавший в последней экспедиции «Аполлон-17», которая провела на Луне несколько дней в декабре 1972 г.

Рис. 11.1 Фотография астронавта Эдвина Юджина «Базза» Олдрина на Луне, сделанная Нилом Армстронгом 20 июля 1969 г. Фото NASA

Космическая программа породила масштабный комплекс исследований, которые привели к огромным технологическим прорывам не только в космосе, но и во многих других областях. Это положило начало соревнованию за более компактные и быстрые компьютеры и значительно улучшило телефонное сообщение, особенно спутники связи и GPS-навигацию. Роботы, сконструированные для постройки космических кораблей, в конечном итоге повысили эффективность сборочных линий для автомобилей и многих других продуктов. На основе исследований NASA смогло найти решение для создания новшеств самого широкого ассортимента – в их числе искусственные сердца, теплозащитные покрытия, легкие и прочные металлические сплавы, легкие композитные материалы, улучшенные лекарства, произведенные в условиях невесомости, детекторы дыма, системы очистки воздуха, небольшие практичные лазеры, емкие аккумуляторы, очки, защищающие от ультрафиолетового излучения, стекловолокно с тефлоновым покрытием, усовершенствованное снаряжение для пожарных, гелиоэнергетические системы, протезы, МРТ и компьютерная томография, технология светодиодов, джойстики для видеоигр, улучшенные мячи для гольфа, система связи TACS, которую используют самолеты, чтобы избежать столкновения, симуляторы виртуальной реальности, гидропоника, DirecTV, кардиостимуляторы и даже одноразовые подгузники.

Вместе с тем космическая программа была чрезвычайно важна не только потому, что обеспечила нам спутниковые снимки, помогающие изучать разнообразные процессы, происходящие на нашей планете, но и потому, что показала вид Земли из космоса, который учит людей скромности и меняет наше представление о «бледно-голубой точке»^[44]. Все это и многое другое мы произвели, потратив менее 1 % федерального бюджета – ничтожную сумму по сравнению с тем, что мы расходуем на другие вещи, которые приносят гораздо меньше пользы.

Сестра, дочь или захват?

Возможно, для науки полезней всего стал окончательный ответ на давние вопросы: «Как образовалась Луна? Из чего она состоит?» Разные вполне серьезные идеи, выходящие за рамки ответа «Из зеленого сыра», существовали у планетологов и астрономов уже более века. Эти гипотезы делились на три большие категории.

1. Гипотеза захвата. На протяжении десятилетий некоторые исследователи предполагали, что Луна – постороннее тело, которое образовалось в каком-то другом месте, но при прохождении неподалеку притяжение нашей планеты перевело Луну на околоземную орбиту. С этой моделью с самого начала было много проблем. Прежде всего, орбита Луны лежит в той же плоскости, что и орбита Земли, движущейся вокруг Солнца, а при захвате это было бы крайне маловероятно. Ведь внешний объект может приблизиться к Земле под случайным произвольным углом к плоскости ее орбиты, и поэтому после захвата тоже станет вращаться вокруг Земли под произвольным углом к этой плоскости. Кроме того, обычно при гравитационном захвате крупного тела либо происходит столкновение, либо тело улетает обратно в космос по измененной орбите. Чтобы земное притяжение каким-то образом медленно остановило Луну на орбите, не доведя дело до столкновения и не дав ей улететь, наша планета должна была располагать очень плотной атмосферой, простирающейся намного дальше, чем сейчас. Этому нет никаких доказательств. Наконец, если бы Луна была посторонним объектом, захваченным гравитацией Земли, то лунный состав принципиально отличался бы от земного. Для проверки этой идеи можно было использовать лунные породы.

2. «Дочерняя» гипотеза, или гипотеза деления. Согласно этому сценарию, который в конце XIX в. предложил астроном Джордж Дарвин (сын Чарльза Дарвина), Луна некогда отделилась от Земли. Вследствие быстрого вращения расплавленный материал вылетел из Земли в космос и образовал Луну. Некоторые астрономы даже предположили, что Тихий океан представляет собой след от того события. В 1925 г. австрийский геолог Отто Ампферер высказал идею, что отделение Луны вызвало дрейф континентов. В течение многих лет такая версия выглядела правдоподобно, но в 1960-е гг. тектоника плит показала, что Тихоокеанский бассейн отнюдь не столь древний: его покрывают молодые лавы возрастом менее 160 млн лет. Эта модель также не учитывала момент импульса системы Земля – Луна^[45]. И здесь снова решающим испытанием гипотезы становились лунные породы. Если бы у них был тот же состав, что и у первоначальной Земли (до того как она разделилась на ядро, мантию и кору), то данная теория получила бы подкрепление.

3. «Сестринская» гипотеза. Как и «дочерняя» версия, эта модель предполагает, что первоначально система Земля – Луна состояла из двух больших сгустков материи, связанных друг с другом гравитационным притяжением. В такой модели тоже есть проблемы с моментом импульса системы Земля – Луна. При этом она, как и «дочерняя», предсказывает, что состав лунных пород будет очень похож на состав пород первоначальной Земли.

Эти и другие идеи находились, так сказать, в подвешенном состоянии, когда «Аполлон-11» и последующие корабли доставили лунные образцы в земные лаборатории. Ко всеобщему удивлению, состав лунных пород не усилил ни одну из трех гипотез. Вместо этого он породил новое предположение, которое никому ранее не приходило в голову.

Удар!

Лунные породы, доставленные миссиями «Аполлон» (рис. 11.2), не походили по составу на раннюю Землю. Не оказались они и какой-то экзотикой, как было бы, если бы Луна являлась посторонним телом, случайно захваченным земной гравитацией. Лунные образцы состояли из анортозита и его вулканического эквивалента – знакомой черной лавы, известной как базальт. Иными словами, лунные породы по своему составу очень походили на части верхней мантии, где берут начало лавы, изливающиеся на дно океана или из таких вулканов, как Килауэа на Гавайях.

Рис. 11.2 Образец типичного лунного анортозита. Источник: Wikimedia Сommons

Это открытие стало потрясением. Если Луна почти полностью состоит из мантийного материала, то она должна оказаться частью земной мантии, которая сформировалась уже после того, как первоначальная Земля разделилась на ядро из железа и никеля (см. главу 10) и мантию из силикатных минералов. Иными словами, Луна образовалась намного позже того, как Земля сформировалась и остыла и в ней выделились отдельные слои.

Еще более поразительно, что единственным способом доставки в космос большого количества мантийного материала был мощный удар по ранней Земле каким-то другим телом (рис. 11.3). Специалисты по планетной геологии назвали это гипотетическое тело Тейя (так в греческой мифологии звали мать Селены – богини Луны) и предположили, что это была протопланета размером с Марс, которая ударилась о Землю, а в результате сила столкновения отколола материю с одной стороны нашей планеты и отбросила на околоземную орбиту. Когда отделенные обломки начали вращаться вокруг Земли (на дистанции, равной одной десятой от ее нынешнего расстояния до Луны), они постепенно соединились. Энергия этого столкновения была поразительной! Триллионы тонн материала испарились, а температура Земли поднялась до 10 000 ℃.

Рис. 11.3 Удар, который обрушился на мантию и образовал Луну, в представлении художника. Источник: Wikimedia Сommons

Тепло от ее собственных радиоактивных минералов полностью расплавило Луну, и основная ее часть должна была сохранить тот же состав, что и земная мантия; при этом такое плавление должно было вызвать колоссальные извержения формирующей магматические океаны базальтовой лавы, которая сейчас образует темные участки на ее поверхности – лунные моря (рис. 11.4). Кроме того, у Луны есть крошечное железное ядро диаметром всего 330–350 км, которое считается остатком ядра Тейи, сохранившимся после столкновения; таким образом, былое железоникелевое ядро Тейи почти целиком слилось с ядром Земли. Если бы оказалась верной «сестринская» модель или «дочерняя» (которым отдавали предпочтение планетологи до полета «Аполлона-11»), то у Луны было бы большое ядро, и его размеры относительно мантии пропорционально соответствовали бы соотношению ядра и мантии Земли.

Рис. 11.4 На ближней стороне Луны, всегда обращенной к Земле, видны ударные кратеры и темные пятна лавы (лунные моря). Фото NASA

Когда же все это произошло? И снова лунные породы дают ответ. Многие лаборатории установили возраст этих камней, используя те же уран-свинцовые (см. выше) и свинец-свинцовые методы датирования. Большинству из них не менее 4 млрд лет, а потому можно предположить, что поверхность Луны образовалась очень давно и с тех пор не претерпела значительных изменений. В конце концов, там не существует сил, которые действуют на Земле и которые меняют земную поверхность, – на Луне нет атмосферы, нет воды, нет выветривания, нет тектоники плит, а сила тяжести невелика. Единственные серьезные изменения лунной поверхности вызваны мощными ударами, оставившими кратеры (рис. 11.4); однако возраст большинства обломков в кратерах превышает 3,9 млрд лет, поэтому столкновения в основном происходили очень давно, и с тех пор мало что случалось.

Возраст самых старых доударных пород с Луны ныне составляет 4,527 ± 0,0010 млрд лет. Это примерно на 30 млн лет меньше возраста метеоритов, которые относятся ко времени зарождения Солнечной системы. Поэтому Луна определенно моложе событий, сформировавших Солнечную систему и Землю, а также того периода плавления, когда ядро Земли отделилось от ее мантии.

С тех пор как анализ лунных пород впервые позволил выдвинуть гипотезу колоссального удара, появилось много новых доказательств, подтверждающих тот факт, что источником Луны была мантия Земли. Почти все геохимические изотопы (кислород, титан, цинк и многие другие), изученные за последние полвека после получения лунных пород, показывают, что у Луны и у земной мантии одинаковый химический состав. С тех пор в ударную модель внесено множество модификаций: в одних вариантах используется несколько ударных тел, в других предполагается другой размер ударного тела или иная механика удара. Но какую бы теорию ни предпочитали ученые, доставленные «Аполлонами» образцы неопровержимо указывают на то, что Луна была частью земной мантии.

Власть Луны

Забавно. Когда-то мы тратили массу времени, глядя в космос и гадая, что же там есть. Были одержимы Луной и мыслями, сможем ли когда-нибудь побывать там. День, когда мы наконец ступили на нее, отмечался во всем мире как, возможно, величайшее достижение человечества. Но когда мы собирали камни в пустынном лунном ландшафте, мы подняли глаза и заметили, насколько невероятна наша собственная планета с ее неповторимой удивительной красотой. Мы называли ее Матерью-Землей. Потому что она нас родила, а потом мы выжали из нее все соки.

Джон Стюарт^[46].

Земля (Книга): Путеводитель по человеческой расе

Люди веками смотрели на Луну и приписывали ей таинственные силы. В популярном фильме «Власть Луны» герои ведут себя странно под влиянием полнолуния. Считается, что оно заставляет вервольфов превращаться из людей в волков, а настоящих людей побуждает творить безумства. В астрологии положение Луны в момент нашего рождения якобы влияет на нашу личность и будущее, хотя это полная чушь. Многие народы обвиняли ее в странных событиях или поклонялись ей как божеству. Научная фантастика, в период своего становления, изображала людей на Луне или пришельцев с Луны, вторгающихся на Землю. Люди разных стран смотрели на темные и светлые пятна на поверхности светила и представляли себе «лицо» или видели «лунного человека». В одном из самых ранних (1902) немых фильмов «Путешествие на Луну» капсулу с героями загружают в пушку и отправляют на Луну, где пушечный снаряд вонзается в глаз «лунного лица». Фильм был создан под влиянием опубликованного в 1865 г. научно-фантастического романа Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут», персонажи которого отправились на Луну с помощью выстрела из пушки. Наши современные знания обессмыслили все подобные представления.

Однако Луна действительно влияет на нас, причем удивительными способами. Астрономы и физики указывают на интересную динамику: относительно большой размер нашего спутника (по сравнению с размерами спутников других планет) оказывает стабилизирующий эффект, поддерживая устойчивое вращение Земли. Многие также полагают, что удар привел к отклонению оси вращения нашей планеты на 23,5° от перпендикуляра к плоскости ее орбиты. Когда произошло столкновение, ось вращения Земли отклонилась от вертикали на 23,5°, и теперь она покачивается, как юла (см. об этом в главе 25).

История о том, как система Земля – Луна обрела современное состояние, удивительна не менее самого первоначального удара. Приливные силы со стороны Земли полностью остановили вращение Луны вокруг своей оси, поэтому она всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Люди видели только эту сторону нашего спутника, пока астронавты на «Аполлоне-8» не облетели Луну (рис. 11.5) и не сфотографировали ее^[47]. (Обратная сторона Луны – это вовсе не темная сторона Луны, как в названии знаменитого альбома The Dark Side of the Moon группы Pink Floyd: постоянной «темной стороны» у Луны не существует, поскольку обе ее стороны выходят на свет и погружаются во тьму поочередно, в зависимости от положения относительно Солнца.) Между тем приливные силы со стороны Луны точно так же постепенно замедляют вращение Земли, увеличивая сутки примерно на 1,5 миллисекунды за столетие. В начале каждого нового года (в частности, после миллениума в 2001-м) самые точные в мире часы необходимо корректировать с учетом этого замедления, поскольку в противном случае произойдет рассинхронизация с атомными часами.

Рис. 11.5 Обратная сторона Луны, которую может увидеть своими глазами только экипаж космического корабля на окололунной орбите. Впервые это испытали астронавты «Аполлона-8» в 1968 г. Фото NASA

Может показаться, что миллисекунды мелочь, но они складываются в течение миллионов и миллиардов лет. Физики провели расчеты и обнаружили, что раньше Земля вращалась быстрее и в геологическом прошлом в году было гораздо больше дней, чем сейчас.

Подтверждение этому поразительному открытию принесла палеонтология скромных кораллов. В начале 1960-х гг. палеонтолог Джон Уэллс из Корнеллского университета изучал ископаемые кораллы, у которых были видны как линии дневного роста, так и более крупные отметки, показывающие годовой цикл. Он сумел сделать очень тонкие срезы кораллов, отполировал их, а затем под микроскопом подсчитал годичные кольца. Действительно, в девонский период (около 400 млн лет назад) Земля вращалась вокруг своей оси намного быстрее: за один оборот вокруг Солнца (год) она делала 400 оборотов вокруг своей оси (то есть в году было 400 дней). Еще раньше, около 600 млн лет назад, день длился меньше 21 часа, а не 24 часа, и год насчитывал 430 дней. А всего 150 млн лет назад в году было 380 дней.

Что это значит? Земля постепенно (хотя по человеческим меркам чрезвычайно неспешно) замедляется, и поэтому когда-нибудь (примерно через 20 млрд лет) приливные силы остановят ее вращение, и наша планета будет навсегда обращена к Луне одной стороной, а вторая сторона не увидит Луну никогда. Энергия всей системы Земля – Луна также уменьшается, и потому обе части этой системы медленно расходятся. Когда обломки, создавшие Луну, впервые выбросило в космос, она находилась, напомню, вдесятеро ближе к Земле, чем сейчас, и с тех пор наш спутник медленно удаляется от нас. Во времена трилобитов (почти 600 млн лет назад) Луна в небе выглядела огромной. Ее приливные силы на таком расстоянии были настолько мощными, что во время приливов и отливов по планете проносились огромные настоящие волны (а не вызванные землетрясениями цунами, которые не имеют ничего общего с приливами).

Со временем Земля с Луной не только остановят вращение друг друга и разойдутся гораздо дальше, но и само их движение может прекратиться. Однако это произойдет через миллиарды лет, и то вряд ли, так как Солнце, вероятно, расширится раньше и уничтожит внутренние планеты.

Когда вы задумываетесь о таких вещах, сам этот процесс учит смирению. Всего несколько килограммов камней, доставленных космическим кораблем «Аполлон», произвели революцию в нашем понимании Луны, Земли и Солнечной системы. В следующий раз, когда вы прочтете стихи о Луне или услышите романтическую песню о «Луне в июне»^[48], вы никогда уже не будете думать о нашем единственном естественном спутнике так, как прежде.

12. Древние океаны и жизнь? Свидетельство песчаного зерна
Цирконы

Чтоб увидеть весь мир в песчаном зерне,

Небеса в полевом цветке,

Уместите вечность в одном лишь дне,

Бесконечность – в одной руке.

Уильям Блейк. Песни невинности

Не знаю, кем я могу казаться миру, но самому себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, который забавляется, время от времени отыскивая более гладкий камешек или более красивую раковину, нежели обыкновенно, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным.

Исаак Ньютон^[49]

Дороже бриллиантов

Если вы переключаете каналы телевизора и смотрите какие-то передачи вроде «Магазина на диване» или рекламные ролики, то рано или поздно увидите, что кто-нибудь навязывает зрителям броские украшения из «кристаллов кубического цирконита»^[50]. Там охают и ахают, демонстрируя внешний вид этих кристаллов, похожих на бриллианты, но продающихся за малую долю стоимости настоящих бриллиантов, – однако кто это сможет отличить? Точно так же вы можете найти в интернете множество продавцов, рекламирующих свои украшения из фианита примерно в таких выражениях:

Ziamond – место, где взыскательные клиенты покупают лучшие высококачественные украшения из фианита, оправленного исключительно в драгоценные металлы, например в золото 585 пробы, золото 750 пробы и роскошную платину. Наши украшения из фианита – образец превосходных искусственных заменителей бриллиантов, которые предлагает мир, и на них распространяется наша всеобъемлющая Бессрочная Гарантия. Удивительные фианиты Ziamond, предназначенные для украшений, идеально гранят, а затем полируют в соответствии со стандартами для бриллиантов, гарантируя нашим клиентам внешний вид и ощущение подлинного бриллианта. Вы можете уверенно носить фианитовые украшения Ziamond каждый день и чистить их так же, как бриллиантовые. Мы работаем с драгоценными камнями более ста лет, и наши сотрудники обладают техническими и художественными навыками для разработки и реализации любого дизайна изделий из фианита, обращая при этом внимание на детали, качество дизайна и мастерство, которые ожидаются от украшений из драгоценных камней. Что ни возьмите – перстни с фианитом, свадебные кольца с фианитом, обручальные кольца с фианитом, браслеты с фианитом или серьги с фианитом, – мы с нетерпением ждем возможности продемонстрировать вам все умения Ziamond, и вы увидите, почему мы признанный лидер в сфере создания ювелирных украшений с этим камнем.

В цирконите-фианите нет ничего плохого, если вы хотите произвести впечатление на друзей недорогой имитацией алмаза. Но это не настоящий бриллиант, а цирконий не так уж и редок в природе. Фианит – всего лишь синтетический камень, а именно диоксид циркония (ZrO₂). (В своей природной форме минерал ZrO₂ называется бадделеит – в честь открывшего его Джозефа Баддели, руководителя проекта строительства железной дороги на Шри-Ланке. Однако бадделеит – явно не то слово, которое можно услышать от ведущих телепередач, где продают ювелирные изделия.) Еще один минерал, содержащий элемент Zr, – силикат циркония (ZrSiO₄), известный как циркон (рис. 12.1). Крупные кристаллы циркона образуют октаэдр – фигуру, похожую на две склеенные пирамиды. Они бывают разного цвета, включая пурпурный, желтый, розовый, красный, а порой и бесцветные, – в зависимости от того, какие примеси в них содержатся и что произошло с их кристаллической структурой.

Рис. 12.1 Кристалл циркона. Источник: Wikimedia Сommons

Стоимость алмазов огромна, зато у цирконов необычайно высока научная информативность, и это делает их в глазах ученых более ценными камнями, нежели любые бриллианты. Цирконы – невероятно полезные минералы для геологов. Они образуют очень твердые, прочные кристаллы, особенно в гранитных магмах на последней стадии охлаждения. Поскольку в кристаллах циркона есть место для больших атомов (например, циркония), они также захватывают другие крупные атомы, которые не помещались ни в один другой минерал и концентрировались на последней стадии кристаллизации магмы. Среди них чрезвычайно редкие элементы – в частности, уран и торий. Таким образом, вы можете взять кристалл циркона и проанализировать его на содержание урана. Цирконы широко используются для определения возраста геологических объектов в уран-свинцовом и свинец-свинцовом методах, а также в трековом датировании.

Цирконы настолько прочны и устойчивы практически ко всему, что для их извлечения из гранитных пород нужно использовать грубую силу. Как правило, вы применяете дробилку с целью измельчения исходной породы в мелкий порошок. Затем замачиваете этот порошок в самой сильной на Земле кислоте – плавиковой, или фтороводородной (HF). Эта жидкость настолько едкая и токсичная, что нужно работать с хорошей вытяжкой и пользоваться средствами защиты кожи, глаз и легких. Плавиковая кислота растворяет даже емкости многих видов, поэтому хранить ее приходится в специальных сосудах. Кислота разрушит практически все остальные минералы в породе, поэтому когда вы после кислотной ванны промоете остаток материала водой, то получите концентрированные цирконы, готовые для анализа.

Цирконы долговечны не только в лабораторных условиях, но и в природе. Когда горные породы выветриваются и превращаются в крупинки, которые измельчаются до песка на дне водных потоков, то среди оставшихся прочных минералов найдутся и цирконы. Даже в наиболее сильно выветрившемся песке, который примерно на 99 % состоит из кварца (прочного и самого распространенного на земной поверхности минерала), небольшие доли процента все равно будут приходиться на цирконы. Для вычисления индекса ZTR, показывающего, насколько сильно выветрился песок или песчаник, используется количество содержащегося там циркона (а также двух других прочных минералов – турмалина и рутила). Цирконы могут оказаться мощными инструментами для решения разного рода геологических проблем, и поэтому ими занимается множество геологов.

Кто на первом месте?

Геохронологи считают, что цирконы особенно полезны для датирования очень древних пород. Именно цирконы использовались для определения возраста некоторых метеоритов (глава 10) и лунных образцов (глава 11), они применяются и для оценки пород-долгожительниц Земли. Многие из старейших горных пород на нашей планете были датированы с применением не только уран-свинцового, но и свинец-свинцового и рубидиево-стронциевого методов, в которых участвуют цирконы.

В течение многих лет самыми известными «старейшинами» на Земле были гнейсы Амитсок (рис. 12.2) из супракрустального пояса Исуа на юго-западном побережье Гренландии, возраст которых оценивали в 3,8 млрд лет. Они представляют собой некоторые ранее всего образовавшиеся породы земной коры, включая небольшие блоки протоконтинентальной коры (ныне метаморфизованные), пластины-слайсы протоокеанической коры (известные как зеленокаменные породы) и даже некоторые фрагменты древнейшей мантии (перидотиты). Однако полученные возрастные датировки не были окончательными, поскольку эти породы были сильно метаморфизованы и изменены, так что всегда оставалась вероятность, что их истинный возраст несколько больше. Они рассказали нам, что самая ранняя земная кора состояла из мелких блоков континентальной коры (протоконтинентов), которые плавали в очень тонкой, горячей океанической коре, состоявшей из лав, извергавшихся непосредственно из мантии. Эти необычные лавы, известные как коматииты, полностью состояли из мантийных минералов – таких как зеленоватый силикатный минерал оливин. Коматииты даже богаче магнием и железом, чем базальтовые лавы, из которых сегодня состоит вся океаническая кора. Они свидетельствуют, что Земля на заре своей эволюции была очень горячей, а кора – тонкой, весьма подвижной и легкоплавкой. В ту пору еще не произошла дифференциация на современные типы пород зрелой океанической и континентальной коры. Фактически блоки коры были такими малыми и тонкими, что настоящей тектоники плит, вероятно, тогда не существовало. Коматиитовые лавы могли образоваться только в этих условиях; сейчас же, когда океаническая кора стала зрелой, а температура и химический состав верхней мантии изменились, они уже нигде на Земле не извергаются. Ныне выплескивается только лава, которая остывает с образованием базальтов, формируя дно океана.

Рис. 12.2 Супракрустальный комплекс Исуа в южной Гренландии; возраст пород 3,8 млрд лет. Источник: Getty Images

В 1999 г. звание старейшей горной породы на Земле забрала себе другая долгожительница – гнейс Акаста (рис. 12.3). Рекорд отодвинулся с 3,8 млрд лет до 4,031 ± 0,003 млрд. Гнейс Акаста – это еще один кусок протоконтинентальной коры, только на сей раз входящий в состав террейна Слейв, который получил свое название от Большого Невольничьего озера^[51] на северо-западных территориях Канады. Эта порода удерживала рекорд долголетия в течение нескольких лет, попав во все учебники.

Рис. 12.3 Фрагмент гнейса Акаста, самой древней горной породы на нашей планете, возраст которой составляет 4,01 млрд лет. Источник: Wikimedia Сommons

Однако здесь, как и в спорте, рекорды предназначены для того, чтобы их превосходить. В 2008 г. возраст зеленокаменного пояса Нуввуагиттук на восточном берегу Гудзонова залива на северо-западе провинции Квебек был датирован 4,28 или 4,321 млрд лет. Эти величины были получены не прямым уран-свинцовым методом, а самарий-неодимовым методом датирования лав зеленокаменного пояса. Однако полученный результат вызывает споры. Многие ученые считают, что 4,28 млрд лет и старше – возраст не самих горных пород, а родительского материала, который был переплавлен при их образовании. Уран-свинцовый метод для самых старых цирконов из оцениваемых пород определяет их возраст как около 3,78 млрд лет. Даже если так, это свидетельствует об образовании наиболее древней земной коры примерно 4,28–4,32 млрд лет назад. Учитывая описанную историю исследований, можно ожидать, что вскоре какой-нибудь геолог найдет породу еще древнее.

Обратите внимание, что возраст земных пород-долгожительниц не превышает 4,32 млрд лет, а самых древних материалов Солнечной системы (метеоритов и лунных пород) составляет не менее 4,55 млрд лет. В чем причина такой разницы? Ответ – в тектонике плит и сильном уменьшении земного покрытия под воздействием воды и ветра. Поверхность нашей планеты постоянно перекраивается из-за движения плит, плавящихся и погружающихся в мантию, а затем рождающихся заново. Мертвая же поверхность Луны, напротив, обходится без тектоники плит, поэтому некоторые ее породы показывают возраст формирования 4,5 млрд лет назад. Метеориты, образовавшиеся вместе с первоначальной Солнечной системой, как и углистые хондриты, о которых говорилось в главе 10, не менялись после того, как остыли, вот почему они рекордсмены по возрасту.

Прохладная Земля

Итак, выше указан возраст самых старых горных пород на Земле; но не они древнейшие земные материалы, которые нам известны. Все дело в горстке зерен циркона (рис. 12.4) из гораздо более молодого песчаника, найденного в холмах Джек-Хиллз в Западной Австралии. Уран-свинцовый метод можно применить к каждому отдельному зерну, поэтому был неизбежен разброс в оценках. Однако самые старые зерна насчитывают, по результатам исследований, 4,404 млрд лет, и это как минимум на 100 млн лет дольше, чем возраст материалов из Квебека, которым 4,3 млрд лет. Таким образом, нынешнему обладателю звания самого древнего вещества Земли (то есть не метеоритам и не лунным породам) примерно 4,4 млрд лет. Датирование этих зерен еще больше приближает нас к возрасту лунных камней и метеоритов, но между ними пока еще существует разрыв примерно в 200 млн лет. Это столько же, сколько отделяет нас от начала эпохи динозавров (поздний триас), что отнюдь не малый временной промежуток.

Рис. 12.4 Микрофотография зерна циркона из холмов Джек-Хиллз в Австралии, возраст которого составляет, по оценкам, 4,4 млрд лет. Изображение свидетельствует, что в первоначальные времена Земля была покрыта водой. Фото предоставлено Дж. Вэлли (J. Valley)

Эти крошечные крупинки циркона, помимо своего рекордного возраста, таили в себе и другие сюрпризы. Когда ученые проанализировали мельчайшие пузырьки газа, заключенные внутри зерен, то обнаружили доказательства существования более 4 млрд лет назад атмосферы. В пузырьках содержались изотопы кислорода, а это свидетельствовало о том, что уже 4,4 млрд лет назад на поверхности Земли существовала жидкая вода!

До этого открытия геологи предполагали, что Земле потребовалось много времени, чтобы остыть из расплавленного состояния, в котором она пребывала 4,55 млрд лет назад. Большинство ученых считали, что ушло около 700 млн лет, пока ее температура упала ниже точки кипения воды (100 ℃): об этом говорил возраст древнейших осадочных пород, образовавшихся под действием проточной воды (имеются в виду породы упомянутой ранее формации Исуа из Гренландии, которой 3,8 млрд лет). Однако цирконы Джек-Хиллз ставят эти заключения под сомнение. Если они действительно указывают на существование жидкой воды на Земле 4,4 млрд лет назад, то отсюда следует, что нашей планете понадобилось всего 200 млн лет, чтобы остыть, перейдя из расплавленного состояния к температуре ниже кипения воды. Это также указывает, что в указанном временно́м интервале происходило не так много падений метеоритов, иначе океаны испарялись бы снова и снова. В совокупности такие расчеты приводят к версии, которую называют гипотезой прохладной ранней Земли.

Но откуда же взялась вода на ранней Земле? Традиционно геологи считали, что это вода, оказавшаяся в земной мантии при остывании, которая постепенно в процессе дегазации уходила через вулканы. Однако в последнее время химический анализ внеземных объектов выявляет совпадение их состава с химическим составом земных океанов (особенно это характерно для углистых хондритов – см. главу 10). Такие результаты позволяют предположить, что в материале ранней Солнечной системы (остатки которого представляют собой хондриты) содержалось много воды. То же самое относится и к лунным породам, в которых сегодня воды немного, но которые, по-видимому, были довольно влажными при формировании Солнечной системы. Если так, то уже при рождении Земли на ней существовала вода. Когда планета остывала, для образования первых океанов было достаточно, чтобы температура ее поверхности упала ниже 100 ℃.

При этом мы можем исключить кометы в качестве источника. Хотя их часто называют «грязными снежками», поскольку они состоят в основном из пыли и водяного льда, химический анализ четырех комет показывает, что их геохимия сильно отличается от геохимии земной воды. Таким образом, можно отвергнуть популярную гипотезу, согласно которой кометы падали на древнюю Землю и таяли, создавая ее океаны.

В крошечных зернах циркона из Джек-Хиллз таился еще один сюрприз. В 2015 г. появилась статья о том, что в них нашли микроскопические кристаллы графита. Большинство людей знают графит как минеральную форму кристаллического углерода – минерал, который вставлен в карандаш. Удивительно, но геохимические данные графита соответствовали соотношениям изотопов углерода, характерным для жизни! Возраст этих конкретных зерен циркона составлял 4,1 млрд лет – меньше, чем у самых старых, подтверждающих существование воды, которым 4,4 млрд. И все же это впечатляет. Ранее самый древний углерод, химический состав которого говорил о том, что он порожден жизнью, а также, возможно, самые старые окаменелости происходили из пород формации Исуа в Гренландии, возраст которых составляет 3,8 млрд лет. Цирконы из Джек-Хиллз на 300 млн лет старше предыдущего рекордсмена. Древнейшие окаменелости, убедительно свидетельствующие о жизни, происходят из кремней Апекс Черт в составе группы Варравуна в Западной Австралии (3,5 млрд лет) и пород группы Фиг Три в Южной Африке (3,4 млрд лет). Таким образом, жизнь зародилась гораздо раньше, чем предполагалось прежде, и ненамного позднее появления первых океанов на прохладной ранней Земле.

Кроме того, такое свидетельство о существовании значительно более древней жизни, как и подтверждение существования ранних океанов, которое дали те же цирконы, заставляет нас пересмотреть представления об изначальной Земле. Основываясь на возрасте лунных кратеров (от 3,9 до 4,4 млрд лет), мы предполагали, что миллиарды обломков из космоса точно так же интенсивно должны были бомбардировать и Землю – от ее образования до момента, датируемого 3,9 млрд лет назад. Однако подтверждаемый факт наличия океанов с жидкой водой 4,4 млрд лет назад, а, возможно, даже и наличие жизни 4,1 млрд лет назад побуждают к выводу, что такая бомбардировка Земли была гораздо менее активной, чем предполагалось.

Велики шансы, что к моменту публикации этой книги объявят о еще более удивительных открытиях, и тогда появится новый претендент на звание древнейшей породы на Земле. И это хорошо. Это подтверждает, что исследование ранних стадий существования Земли – активная и динамичная область знаний, постоянно приносящая новаторские открытия. Кого-нибудь может разочаровать то обстоятельство, что книга имеет вероятность устареть еще до того, как ее напечатали. Однако наука идет вперед, и с каждой новой опубликованной работой мы всегда узнаём новые и всё более удивительные сведения о Земле.

13. Многоэтажки микроорганизмов: цианобактерии и древнейшая жизнь
Строматолиты

Если теория [эволюции] верна, до низших кембрийских слоев, бесспорно, прошли долгие периоды времени… и в эти периоды мир кишел живыми существами. [Однако] на вопрос, почему мы не находим относящихся к этим ранним периодам отложений, богатых окаменелостями, я не могу дать удовлетворительного ответа.

Чарльз Дарвин. Происхождение видов

Дилемма Дарвина

Когда Дарвин опубликовал в 1859 г. «Происхождение видов», одним из самых слабых мест его теории было отсутствие бесспорных окаменелостей докембрийского периода; в то время впервые появились сложные многоклеточные животные – например, трилобиты. Дарвин был знаком с кембрийскими породами и окаменелостями, потому что в 1831 г. в западном Уэльсе помогал работать с ними своему кембриджскому преподавателю – легендарному геологу Адаму Седжвику, первому человеку, носившему звание профессора геологии. Но даже без малого три десятка лет спустя, когда Дарвин писал свою книгу, такое отсутствие окаменелостей все еще оставалось загадкой.

Дарвин и большинство геологов знали, что одна из проблем тут заключалась в следующем: старые докембрийские породы обычно под воздействием огромной температуры и давления превращались в метаморфические^[52], и все окаменелости при этом уничтожались. Кроме того, чем старше породы, тем больше вероятность того, что они не только будут метаморфизованы, но и просто разрушатся в результате эрозии. Наконец, действительно древние материалы обычно погребены под более поздними посткембрийскими отложениями и обнажаются лишь в нескольких местах на Земле, где старые подстилающие слои испытали поднятие, а перекрывающие их более молодые были снесены эрозией.

Тем не менее ученые приняли вызов Дарвина и продолжили поиски. Было много тупиков и ложных следов. Одна странная ветвящаяся структура, похожая на примитивное растение, получила название Оldhamia. Однако оказалось, что она образована ходами какого-то червя, но сама не является окаменелостью. Слизистый «организм», обнаруженный в сосудах с илом из самых глубин океана, который Томас Гексли, Бульдог Дарвина^[53], провозглашал новым существом Bathybius, оказался продуктом химических реакций сульфата кальция со спиртом, используемым для сохранения образцов. В 1858 г., за год до публикации книги Дарвина, канадский геолог-изыскатель сэр Уильям Эдмонд Логан обнаружил на берегу реки Оттавы недалеко от Монреаля несколько слоистых структур (рис. 13.1). Находка не убедила большинство ученых, поскольку слоистые структуры в горных породах могут возникать множеством небиологических способов. Но один из сторонников Логана, канадский палеонтолог Джон Уильям Доусон, был уверен, что эти структуры породила жизнь, и назвал их Eozoon canadense (дословно «канадское рассветное животное» или «канадская заря жизни»). По мнению Доусона, эозоон – «один из ярчайших драгоценных камней в короне Геологической службы Канады». Однако вскоре другие геологи, изучив «окаменелость» и ее происхождение, пришли к выводу, что это полосчатое метаморфическое образование, состоящее из слоев кальцита и серпентина.

Рис. 13.1 Слоистая структура, названная эозооном. Некогда она считалась окаменелостью, но теперь известно, что это псевдоокаменелость неорганического происхождения. (A) Иллюстрация из книги Джона Доусона «Рассвет жизни» (Dawn of Life). (B) Типовой образец в Смитсоновском институте. Масштабные линейки равны 1 см. Фото предоставлено Джеймсом Уильямом Шопфом (J. W. Schopf)

Псевдоокаменелость или настоящая окаменелость?

После стольких ложных тревог с псевдоокаменелостями геологи вполне справедливо относились со скепсисом к любой находке, которую кто-либо провозглашал свидетельством докембрийской жизни. Здесь легко сделать ошибку. Природные камни и минералы самыми разными способами могут образовывать структуры, которые выглядят (для неопытного собирателя) как настоящие окаменелости. Многие охотники за породами раскалывают сланцы, обнаруживают на них нечто тонкое, ветвящееся, кружевное черного цвета и думают, что это ископаемое растение. В действительности это хорошо известная псевдоокаменелость – дендриты пиролюзита; она возникает в результате ветвящегося роста кристаллов оксида марганца. Многим палеонтологам какой-нибудь любитель вручал камень странной формы и заявлял, что это «окаменевшее яйцо», «окаменевший мозг», «окаменевшее сердце» или даже «окаменевший фаллос». В большинстве случаев это просто конкреции^[54] – отложения, которые приняли соответствующий внешний вид.

Между тем в 1878 г. в качестве свидетельства докембрийской жизни предложили еще одну примечательную структуру. Молодой Чарльз Дулиттл Уолкотт работал ассистентом у легендарного Джеймса Холла, первого специалиста, официально занимавшего должность геолога и палеонтолога штата Нью-Йорк. (Впоследствии Уолкотт стал ведущим палеонтологом Америки; в разные годы он был руководителем Смитсоновского института, директором Геологической службы США и президентом Национальной академии наук.) Приехав в город Саратога-Спрингс (курорт и Мекку лошадиных скачек) в долине Гудзона, Уолкотт остановился в месте, которое сейчас называется Лестер-Парк, – примерно в 3 милях к западу от Саратога-Спрингс. Там он обнаружил крупное обнажение слоистых структур, которые выглядели наподобие разрезанных кочанов капусты (рис. 13.2). Такие образования уже были известны геологам, которые назвали их строматолитами (от древнегреческих слов, означающих «слой» и «камень»). Однако образцы в Лестер-Парке были необычными. Двадцативосьмилетний Уолкотт написал и опубликовал свою первую научную статью о них, назвав находку Cryptozoon (от древнегреческих слов, означающих «скрытый» и «жизнь») и заявив о биологическом происхождении объекта.

Рис. 13.2 Похожие на капусту слоистые строматолиты из Лестер-Парк (штат Нью-Йорк), получившие название криптозоон. Их верхние части срезаны ледником. Фото автора

Разумеется, научное сообщество встретило это заявление весьма прохладно. Ученые уже обожглись на многослойной структуре, которую Доусон назвал эозооном, и теперь были недоверчивы. Самый известный и влиятельный палеоботаник мира, сэр Альберт Чарльз Сьюард, много лет отвергал криптозоон Уолкотта. Он справедливо утверждал, что в этих образованиях нет ни органических структур, ни детализированных растительных тканей и ничто не исключает возможность возникновения данных слоев при росте минералов.

Тем не менее специалисты обнаруживали и описывали все больше строматолитов разных видов. Одни из них походили не на разрезанную капусту, а выглядели как высокие колонны с куполом. Другие были по форме вытянутыми конусами (Conophyton) или состояли из куполообразных слоев, уплощенных в центре (Collenia). В поздних докембрийских породах Сибири нашли множество разнообразных и хорошо сохранившихся строматолитов, поэтому советские геологи занялись наименованием и описанием таких структур. И все же доказательств того, что они действительно органические, а не геологические, не было.

Залив Шарк

Единственный убедительный способ показать, что строматолиты подлинные ископаемые, – обнаружить их живыми в современном мире. Однако почти все известные строматолиты относились к докембрию: за некоторыми исключениями им было более 550 млн лет. Некогда самые распространенные и зримые окаменелости на планете, они таинственным образом исчезли в кембрии, когда началась эволюция многоклеточных животных.

Прорыв произошел во время обычной геологоразведки в малоизвестном регионе. В 1956 г. геолог Брайан Логан из Университета Западной Австралии и его коллеги составляли карту северного побережья этого штата. Они двигались вдоль берега и добрались до соленой лагуны под названием залив Шарк (Акулья бухта) примерно в 800 км к северу от Перта. Исследуя местность во время отлива, геологи обнаружили в мелководном районе Хэмлин-Пул множество колонн с куполообразными вершинами высотой метр и больше (рис. 13.3). Эти образования были по виду точными копиями криптозоона и других структур, которые относили к строматолитам.

Рис. 13.3 Современные купольные строматолиты из залива Шарк в Австралии. Источник: Wikimedia Сommons

Внимательное изучение образцов показало, что структуры залива Шарк действительно состоят из миллиметровых слоев отложений – точно таких же, как в ископаемых строматолитах. Но теперь ученые смогли установить, что образовало эти таинственные слоистые объекты. Верхняя поверхность каждой колонны была покрыта липким матом синезеленых бактерий (цианобактерий), растущих под солнцем. В старых книгах их называли синезелеными водорослями, но это неверно: водоросли – настоящие растения с эукариотическими клетками, в которых есть ядро и органеллы, в то время как цианобактерии – это прокариоты без выделенного ядра, но с протеканием внутренних химических процессов, необходимых для фотосинтеза.

После дальнейшего анализа этих колонн стало понятно, как складывалась их слоистая структура. На верхнем липком слое мата из нитей цианобактерий при отливе оседает и застревает мелкий материал. Затем нити, стремясь к солнечному свету, прорастают сквозь такой осевший слой и создают новую липкую пленку, на которой застревает новый осадок. Так происходит каждый день, поэтому при регулярно повторяющихся условиях вы можете получить объект с сотнями суточных слоев. Когда цианобактерии умирают, они оставляют после себя кучки слоистого осадка, в которых нет органического материала, и они не столь похожи на растения, как хотелось бы палеоботаникам.

Планета этого грязного налета

Так почему же строматолиты, господствовавшие на Земле в течение 3 млрд лет, практически исчезли около 500 млн лет назад? Оказалось, залив Шарк уникален не только из-за колонии живых строматолитов. У него очень узкий выход в океан, который перекрывает песчаная коса, ограничивающая потоки воды во время приливов и отливов. Кроме того, залив находится в тропическом регионе, поэтому в нем велика скорость испарения. В результате вода в заливе оказывается очень соленой (7 %, вдвое больше солености океана). Это чересчур много для большинства улиток и других организмов, которые в противном случае съели бы пленки водорослей и цианобактерий, естественным образом растущих на породах в приливных зонах по всему миру.

Когда в 1961 г. была опубликована статья о находке в заливе Шарк, мнение ученых быстро поменялось, и вскоре большинство палеоботаников и геологов согласились с тем, что строматолиты действительно представляют собой самые настоящие ископаемые структуры. За прошедшие годы их колонии обнаружили еще в нескольких районах, и у всех этих мест одна общая черта: здешняя вода негостеприимна по отношению к любым другим организмам – особенно к улиткам и прочим животным, которые могут поедать липкие маты. Я был у строматолитов, растущих в соленых лагунах вдоль тихоокеанского побережья Нижней Калифорнии; они есть в соленых водах западного побережья Персидского залива; огромные колонны с куполообразными вершинами, похожие на колонны залива Шарк, также найдены в соленых лагунах Лагоа-Салгада («Соленая лагуна» в переводе с португальского) в Бразилии. Среди немногих строматолитов, растущих в условиях обычной морской солености, – те, которые находятся в районе Эксума на Багамских островах: местные течения настолько сильны, что морские улитки не могут закрепиться на поверхности колоний.

Так почему же они были наиболее распространенными видимыми окаменелостями в докембрийских породах? Вспомните, что цианобактерии появились более 3,5 млрд лет назад как единственная форма жизни на Земле. Есть их окаменелости, датируемые этим возрастом, из группы Варравуна в Западной Австралии, а также другие виды бактериальных окаменелостей до 3,5 млрд лет из группы Фиг-Три в Южной Африке. Когда эта книга была уже закончена, публиковались сообщения о возможных строматолитах из супракрустального комплекса Исуа в Гренландии, которым 3,8 млрд лет (см. главу 12). Палеонтологическая летопись показывает, что на протяжении более 3 млрд лет эволюция не создавала ничего крупнее одноклеточных микроорганизмов, так что у цианобактериальных матов на протяжении 80 % их обитания на Земле не было врагов, которые могли бы их поедать. Они доминировали в мире, и, как выразился мой друг профессор Джеймс Уильям Шопф из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Земля была «планетой этого грязного налета».

Лишь в раннем кембрии появились улитки и другие животные, способные питаться матами из цианобактерий и водорослей, которыми были покрыты морские мелководья в течение 3 млрд лет. После этого строматолиты почти исчезли. Между тем, когда морское дно уже не выстилали липкие водоросли и цианобактерии, другие животные получили возможность зарываться в отложения; так возникли целые новые ниши для жизни.

Это объяснение подтверждается не только местами, в которых строматолиты сохранились сегодня (там, где нет улиток или других поедателей), но и местами, где они время от времени вновь появлялись в геологическом прошлом. Микробные маты всегда были готовы восстановиться и преуспеть, когда у их врагов оказывались проблемы. После трех великих массовых вымираний (в конце ордовика, в позднем девоне и в конце пермского периода, когда произошло самое серьезное из них) строматолиты возвращались в большом количестве, поскольку вымирание уничтожало множество животных. Во всех случаях строматолиты разрастались, словно сорняки, пользуясь преимуществами открытого ландшафта с небольшим количеством выживших видов, и процветали каждый раз, когда исчезали существа, ими питавшиеся.

Да, Земля была «планетой этого грязного налета» на протяжении более 80 % истории жизни на ней. Не было никаких других форм жизни, которые могли бы оставить окаменелости, – существовали исключительно маты микроорганизмов, строившие многоэтажки из камня. Вся эволюция заключалась в микроорганизмах, от которых в лучшем случае остаются окаменелости. Что сдерживало развитие многоклеточной жизни? Препятствием могло быть само обстоятельство, что микробные маты покрывали морское дно, но как только появились улитки, питавшиеся ими, свои ниши смогли найти многие другие животные. В морское дно, свободное от пленки слизистых бактерий, могут зарываться трилобиты и другие, более глубоко роющие организмы, доказательство этого факта мы видим в норах раннего кембрия.

Существует несколько разных предположений, но большинство геологов согласны с тем, что фактор, не позволявший развиваться многоклеточным организмам, – уровень атмосферного кислорода. По иронии судьбы его повысила фотосинтетическая активность тех же самых цианобактерий, из которых образовались строматолиты (см. главу 14). На это у них ушло почти 3 млрд лет, однако мало-помалу они выделили столько кислорода, что этот газ в конце концов насытил все поглощавшие его породы земной коры и со временем в изобилии появился в океанах и атмосфере. Когда это произошло, он вызвал «кислородный холокост» – убил большинство анаэробных бактерий, которые могут жить только при низком уровне кислорода. В конце концов содержание кислорода стало достаточно высоким, чтобы могли развиваться многоклеточные животные, дышащие этим газом, – например, черви и трилобиты. И вообще, большая часть кислорода, которым вы сейчас дышите, поступает не от деревьев в лесах, а от колоссального количества фотосинтезирующих водорослей и бактерий в океанах. Так что в следующий раз, когда на пляже вы увидите грязноватый налет ила на каком-нибудь камне, поблагодарите его. Без этого налета вы не смогли бы ни появиться на свет, ни дышать.

14. Горы железа: древняя атмосфера Земли
Железистые кварциты

Места добычи полезных ископаемых стали для меня той темой, которая способствовала моему увлечению изображениями уничтоженного ландшафта – как с точки зрения формальной красоты, так и по соображениям экологической политики.

Дэвид Майзель^[55]

Железные кряжи

Настоящим откровением может оказаться поездка в железорудный район Верхнего озера, известный как район Железных Кряжей (рис. 14.1), охватывающий северную Миннесоту, Мичиган и юг провинции Онтарио. Если вы посетите наиболее популярный железный кряж Месаби или подобные ему зоны Вермильон либо Куюна в Миннесоте, Ганфлинт, уходящий в Канаду, Маркетт и Гогебик, а также другие места на Верхнем полуострове Мичигана, то увидите поразительные вещи. Люди снесли целые горы, состоявшие в основном из железа, оставив огромные карьеры, которые теперь затоплены водой. Железорудный карьер Халл-Раст-Махонинг недалеко от Хиббинга (штат Миннесота) – один из крупнейших в мире (рис. 14.2). Его размеры 2,4 на 5,6 км, а глубина более 180 м. Когда вы стоите на краю, кажется, что под вами небольшой океанский бассейн. Дно залито водой, но по другую сторону озерца все еще ведутся работы. Ковш экскаватора-драглайна для удаления вскрыши по размерам превосходит дом, а горно-шахтное оборудование отличается эпическими габаритами. Диаметр шин гигантских экскаваторов и самосвалов (рис. 14.3) превышает 3,5 м.

Рис. 14.1 Карта расположения железных кряжей (железорудных зон) в районе Верхнего озера. Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 14.2 Панорама огромного карьера Халл-Раст-Махонинг (штат Миннесота). Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 14.3 Размеры оборудования на этих колоссальных рудниках производят ошеломляющее впечатление. Списанный самосвал в Музее горного дела в Чизолме (штат Миннесота). Источник: Wikimedia Сommons

С момента открытия в 1895 г. железорудного карьера Халл-Раст-Махонинг на нем было добыто более 635 млн тонн руды, а еще свыше 450 млн тонн пустой породы разбросано по всему бесплодному пустынному ландшафту. Город Хиббинг даже пришлось перенести с прежнего места, поскольку рудник расширился и поглотил территорию, где первоначально располагалось поселение. Почти 25 % всего железа, произведенного в Соединенных Штатах, получено из этой ямы в земле, где некогда высилась железная гора. Именно из этого рудника брали большую часть железа, которое шло на постройки и машины промышленной революции в конце XIX – начале XX в., особенно в период огромного спроса на сталь для кораблей, танков и самолетов во время Первой и Второй мировых войн.

Карьер Халл-Раст-Махонинг не единственный в этом роде. У карьера Рушло недалеко от Вирджинии (штат Миннесота) длина 4,8 км, ширина 0,8 км и глубина 137 м. Со времени открытия в 1893 г. он выдал более 270 млн тонн железной руды. Карьер все еще расширяется, и в результате была закрыта популярная достопримечательность – смотровая площадка «Вид на шахту с неба» с небольшим туристским центром. Из-за расширения пришлось перенести автомагистраль 53, причем через часть раскопа для нее построили новый мост. Другие исполинские рудники в том же штате находятся недалеко от Судана. Город получил шутливое название по контрасту между долгими суровыми морозными зимами Миннесоты и высокими температурами страны Судан в Африке.

Эти шахты с их богатствами оказали огромное влияние на американскую историю. Железо из региона вокруг Верхнего озера означало, что для строительства наших огромных зданий и кораблей, миллионов автомобилей и других машин можно использовать американскую сталь. Такониты (местную железную руду) дробили, превращая в комочки концентрата – окатыши, а затем отправляли поездами в порты на Верхнем озере – в частности, в город Дулут (штат Миннесота). Суда доставляли этот груз через озера Верхнее, Гурон и Эри в Кливленд, где его направляли на сталелитейные заводы, расположенные в восточном Огайо и западной Пенсильвании. Реки (например, три реки, окружающие Питтсбург, – Аллегейни, Мононгахила и Огайо) несли баржи с углем из близлежащих шахт в Аппалачах. Уголь горел в печах плавильных заводов, превращавших таконитовую руду в высококачественную сталь.

Сырье из района Железных Кряжей оказало влияние и на массовую культуру. Канадский фолк-певец Гордон Лайтфут написал в 1976 г. песню о трагической гибели грузового судна «Эдмунд Фицджеральд», затонувшего во время сильного шторма на Верхнем озере годом ранее. Город Хиббинг (штат Миннесота) известен как родина великого бейсболиста Роджера Мэриса, побившего рекорд Бейба Рута по числу хоумранов за один сезон, и великого баскетболиста Кевина Макхейла, ставшего многократным чемпионом НБА в составе клуба «Бостон Селтикс» в 1980-х гг. Певец Боб Дилан, родившийся в Дулуте, а выросший в Хиббинге, описал суровую жизнь знакомых шахтеров в песне 1963 г. North Country Blues («Блюз северной страны»).

Ресурсы и традиции железных рудников оставили огромный след в истории Америки, но к 1970–80-м гг. большинство шахт закрылось. Более дешевая железная руда стала поступать из других мест – в частности, из огромных месторождений железа в хребте Хамерсли в регионе Пилбара (Западная Австралия). Карьеры Хамерсли настолько велики, что их можно увидеть из космоса, и сейчас именно они крупнейший в мире источник железа. В 2014 г. в Австралии добыли 430 млн тонн руды, основная часть которой приходилась на рудники Хамерсли. По оценкам некоторых геологов, в австралийских месторождениях еще осталось 24 млрд тонн руды. США, в противоположность этому, в том же 2014 г. произвели всего 58 млн тонн. Однако огромный спрос на сталь со стороны Китая в последние годы превысил возможности австралийских рудников, и некоторые из американских железорудных карьеров вновь заработали.

Железистые формации и крупные магматические провинции

Каким образом огромные массы железа сконцентрировались в таких местах, как Железные Кряжи Миннесоты или хребет Хамерсли в Австралии? Большинство этих залежей происходят из так называемых полосчатых железистых формаций^[56] (железистых кварцитов). Как следует из их названия, в этих породах красные железистые полосы (рис. 14.4) толщиной от нескольких миллиметров до сантиметра чередуются с полосами, состоящими из чистого кремнезема (в виде кремня или яшмы). Иногда на огромной площади обнажений можно наблюдать тысячи непрерывно чередующихся полос. Когда их впервые обнаружили в середине XIX в., они представляли собой загадку. Еще удивительнее, что эта порода состоит из окислов чистого железа и кремня, а ил либо песок если и присутствуют, то в очень небольших количествах – хотя вполне можно ожидать, что их сносило в древние моря во время отложения этого железа.

Рис. 14.4 Выход железистых кварцитов полосчатой железистой формации (BIF). Источник: Wikimedia Сommons

Так как же отложения, состоящие из растворенных железа и кремнезема, осели на морском дне, не смешавшись с песком и с илом? Прежде всего нужно знать, что ныне железо не может оставаться растворенным в морской воде, потому что оно быстро окисляется до разных форм оксидов («ржавчины»), пристает к другим минералам или оседает. Транспортировать и концентрировать большое количество железа в морской воде можно только в том случае, когда содержание кислорода в ней настолько мало, что железо не может ржаветь. Это подтверждает, что древние моря во времена образования такого рода железистых формаций, вероятно, были совершенно бескислородными, а большинство геологов считают, что и в атмосфере Земли кислорода тогда содержалось очень мало.

Далее, нужно, чтобы морское дно располагалось достаточно далеко от суши: у песка и у илов не должно быть возможности смешиваться в глубоком океанском бассейне с химическими отложениями железа и кремнезема. Не исключено, что эти железорудные бассейны находились в центре древних морей, а илы и песок накапливались в окраинных водоемах древних континентов. Однако месторождения Хамерсли, по-видимому, сформировались на мелководном морском шельфе, поэтому такая модель верна не для всех железистых кварцитов. Наконец, откладывать огромные массы железа намного проще, если оно будет поступать в океан из какого-то мощного источника. Большинство геологов считают, что это железо появлялось в основном в результате выветривания богатых им базальтовых лав в древних срединно-океанических хребтах, а также, возможно, в результате выветривания наземных пород, и что затем его в растворенном виде в океан приносили реки (так могло бы происходить только в том случае, если бы эти реки тоже были полностью бескислородными). В последнее время геологи, работающие с железистыми кварцитами, заметили, что некоторые из крупнейших месторождений возникли, когда на Земле происходили гигантские излияния плато-базальтов, образовавших так называемые крупные магматические провинции (КМП)^[57]. Выветривание таких аномально больших объемов излившихся пород должно было давать огромное количество железа, пока содержание кислорода в атмосфере и в океане было низким и железо могло оставаться в растворе и не окисляться.

Рис. 14.5 Временнáя шкала появления кварцитов полосчатой железистой формации (BIF), строматолитов и концентрации кислорода в докембрии

Железистые кварциты полосчатой железистой формации обнаружены в некоторых древнейших горных породах планеты, в том числе в породах возрастом 3,7 млрд лет из упоминавшегося (в главах 12 и 13) супракрустального комплекса Исуа в Гренландии. Большинство железистых кварцитов мира (рис. 14.5) образовались в архее (от 4 млрд лет назад до около 2,5 млрд), когда не только атмосфера Земли была бескислородной, но и планету покрывали небольшие протоконтиненты в окружении протоокеанов, сложенных странными лавами – коматиитами (см. главу 12). К периоду 2,6–2,4 млрд лет назад сформировался основной объем железистых кварцитов, в том числе огромные горы железа в хребте Хамерсли в Австралии, железные кряжи района Верхнего озера, а также аналогичные месторождения в Бразилии, России, Украине и Южной Африке. На этот промежуток времени приходится также пик гигантских излияний магмы в крупных магматических провинциях. Затем железистые кварциты полосчатой формации начали исчезать, при этом все еще продолжали формироваться крупные залежи железа в виде гранул, известные как зернистые железистые формации (GIF)^[58].

«Кислородный холокост»

Около 2,3 млрд лет назад на нашей планете явно что-то произошло. Спустя 400 млн лет после этого (1,9 млрд лет назад) обе железистые формации (BIF и GIF) полностью исчезли, за исключением нескольких странных проявлений (рис. 14.5) во время эпизода Земли-снежка около 750–580 млн лет назад (см. главу 16). Большинство геологов считают, что в это время содержание кислорода в земной атмосфере, а возможно, и в океане наконец стало достигать значительного уровня. Это явление назвали Кислородной катастрофой – GOE^[59] в профессиональной терминологии. Между тем доля кислорода даже не приближалась к нынешнему атмосферному уровню в 21 %. В океанах она увеличилась от практически нулевого уровня перед отметкой в 2,4 млрд лет назад до примерно 1 % от современного содержания океанского кислорода, и этого было достаточно, чтобы растворенное в океанах железо начало ржаветь. А, как уже говорилось, примерно 1,9 млрд лет назад доля кислорода в океанах, по мнению геологов, повысилась настолько, что этот газ начал улетучиваться в атмосферу и, возможно, вызвал первое выветривание горных пород на суше, хотя содержание его в атмосфере все равно было не слишком велико. Считается, что только в последние 500 млн лет присутствие кислорода на Земле достигло современного уровня, когда этим газом полностью насыщены океаны и атмосфера.

Откуда мы знаем, что уровень кислорода был таким низким? Лучшее подтверждение исходит от железистых кварцитов, которые могли образоваться только при ничтожно малом его количестве – таком, когда железо оставалось растворенным, а не ржавело. Есть и другие геохимические индикаторы. До момента, датируемого 1,9–1,8 млрд лет назад, в речных отложениях находились гранулы и галька из уже знакомого нам пирита, или «золота дураков», минерала, который по составу представляет собой сульфид железа (FeS₂). Сегодня пирит образуется только в местах с очень низким уровнем кислорода, например, на дне стоячих водоемов или в глубоких горячих источниках и в породах земной коры вдали от атмосферы. Как только зерна пирита на поверхности выветриваются, они быстро превращаются из сульфида в оксид железа. Я собрал образцы оксида железа, которые все еще имели кристаллическую форму пирита, хотя их минералогический состав уже изменился. Когда пирит разрушается, железо высвобождается, а сера окисляется до сульфата, образуя такие минералы, как гипс (сульфат кальция, CaSO₄). Неудивительно, что мы находим мало крупных месторождений гипса старше примерно 1,8 млрд лет и не обнаруживаем пиритовую гальку или пиритовый песок, датируемые более поздним временем. До момента 1,7 млрд лет назад вполне обычны песчаные гранулы, состоящие из оксида урана (настуран, или уранинит, UO₂), однако после этой отметки их уже не находят. Подобно песчинкам из пирита и растворенному железу, они нестабильны в атмосфере, богатой кислородом.

Кроме того, если посмотреть на летопись изотопов серы во времени, то после отметки примерно в 2,2 млрд лет назад мы не увидим действительно малых величин, связанных с низким содержанием кислорода. Изотопные значения серы в архейских породах сильно варьируют, повсеместно обнаруживая значительные флуктуации. Однако после момента 2,4 млрд лет назад картина становится очень устойчивой, потому что вместо свободного плавания в минералах типа пирита атомы серы горных пород оказываются прочно связанными в гипсе и других минералах, распространенных в мире, богатом кислородом.

Таким образом, с появлением доступного кислорода мир претерпел кардинальные изменения. Случившееся называют иногда «кислородным холокостом», потому что для форм жизни, привыкшим к бескислородным условиям, появление такой реакционноспособной молекулы, как О₂, означало смерть (см. главу 13). Сегодня эти бактерии и другие микроорганизмы, приспособленные к условиям с низким содержанием кислорода, вынуждены жить в местах с минимумом этого газа – например, на дне стоячих озер и морских бассейнов вроде Черного моря. Однако до отметки в 2,3 млрд лет назад они правили планетой. Когда содержание кислорода в атмосфере возросло, среда стала для них поистине смертоносной, и они уступили мир организмам, способным выжить в новых условиях.

Возникает естественный вопрос: откуда земная атмосфера взяла свободный кислород? Ответ ясен: это результат фотосинтеза, который обеспечивали сначала синезеленые бактерии, или цианобактерии (см. главу 13), а затем и растения – когда появились эукариотические «настоящие» водоросли. Большая проблема заключается в том, что известны окаменелости цианобактерий возрастом 3,5 млрд лет (а возможно, даже 3,8 млрд лет), однако Кислородная катастрофа начинается только около 2,3–1,9 млрд лет назад. Может быть, цианобактерии производили так мало кислорода, что это не оставило следа на планете? Или цианобактерии вырабатывали много кислорода, но он в основном оказывался в породах земной коры (например, в железистых кварцитах), которые в результате окислялись, пока наконец не появилось столько кислорода, что резервуары земной коры оказались насыщены и свободный кислород начал наконец выделяться? Или 2,3 млрд лет назад – это время, когда развились те «настоящие» эукариотические водоросли с их гораздо более крупными клетками и большей выработкой кислорода. Может быть, только они могут производить этого газа столько, чтобы хватило перекрыть поглощающие возможности земной коры, в то время как гораздо более мелкие цианобактерии на это не способны. Какой бы ни была причина кислородной динамики в атмосфере, подобные рассуждения остаются пока весьма спорными и умозрительными, и единого мнения по этому вопросу не существует. Ясно только, что после отметки 1,7 млрд лет назад повсюду росли уже эукариотические водоросли, а в атмосфере содержался 1 % (а то и больше) О₂, и это навсегда изменило кислородный баланс Земли.

И еще одна вещь, над которой стоит поразмыслить: без определенного количества свободного кислорода не могли бы появиться многоклеточные животные – и мы бы не обсуждали теперь этот вопрос, поскольку людей тоже не было бы. Эволюция всего живого (кроме анаэробных микроорганизмов) фактически зависит от большого количества кислорода на планете, а этого не может быть без эволюции фотосинтезирующих микроорганизмов и растений. Данное условие представляет собой серьезное ограничение для умозрительных представлений об инопланетянах и о жизни на других планетах. Да, астрономы обнаружили множество планет, похожих по параметрам на Землю, включая подходящий размер, подходящую температуру и, возможно, даже океаны жидкой воды на их поверхности. Но пока ни у кого нет доказательств наличия свободного кислорода в их атмосфере. Без него, повторю, не было бы ни многоклеточных животных, ни инопланетных существ, которых вы видите во многих научно-фантастических фильмах (и с которыми связаны все атрибуты культуры тех землян, кто верит в пришельцев и НЛО). Возможно, в глубинах коры других планет существуют аноксигенные микроорганизмы, однако без избытка свободного кислорода инопланетяне в космосе не появятся.

15. Архейские отложения и подводные оползни
Турбидиты

Отложения прошлого имеют суммарную мощность во много миль: и тем не менее все они от основания до вершины были созданы ничтожными илами.

Джон Джоли, геолог

Фрагмент головоломки № 1: Тайна оборванных кабелей

18 ноября 1929 г. в 17:02 небольшие рыбацкие поселки Ньюфаундленда, Новой Шотландии и других областей приморской Канады пострадали от сильного землетрясения. Оно ощущалось даже в Нью-Йорке и Монреале. Нанесенный региону ущерб составил не менее 400 тысяч долларов. Еще более разрушительной стала серия цунами (сейсмических морских волн), обрушившихся на берег и уничтоживших большинство прибрежных поселений. Всего через два часа после землетрясения по побережью Ньюфаундленда ударило цунами с шестиметровыми валами, достигшее даже Бермудских островов в 1445 км от эпицентра. Волны меньшего размера достигли Южной Каролины и даже пересекли Атлантический океан, добравшись до Португалии. Практически полностью стерло прибрежные городки на полуострове Берин в Ньюфаундленде. Один источник сообщал:

Сила поднявшихся волн срывала дома с фундаментов, уносила в море шхуны и другие суда, разрушала и повреждала навесы для сушки трески, причалы, рыбохранилища и другие сооружения вдоль протяженной береговой линии полуострова. Цунами затронуло более 40 населенных пунктов полуострова Берин и смыло примерно 127 тысяч кг соленой трески. В городке Пойнт-о-Гол гигантские волны уничтожили около 100 зданий, а также большую часть местных рыболовных снастей и запасов продовольствия; Сент-Лоренс потерял все свои навесы для трески, причалы и моторные суда. Позже правительство оценило материальный ущерб на полуострове Берин в 1 млн долларов.

Стихия унесла и жизни людей. На южном Ньюфаундленде цунами убило 28 человек – это больше, чем количество жертв любого другого документированного землетрясения в истории Канады. Во время катастрофы 25 человек утонуло (6 тел, унесенных в море, так и не нашли), а еще трое позже скончались от шока или от заболеваний, связанных с цунами. Погибли люди из 6 поселений: Алланс-Айленд, Келлис-Коув, Пойнт-о-Гол, Лордс-Коув, Тейлор-Бэй и Порт-о-Бра. К счастью, цунами пришло в спокойный вечер, когда большинство жителей еще бодрствовали и могли быстро среагировать на поднимающуюся воду; многим удалось покинуть дома и убежать от взморья на места повыше.

Три дня спустя появились спасательные суда (первым прибыло SS Meigle), которые привезли лекарства, вещи, еду, а также доставили врачей и медсестер для лечения раненых и больных. В другом сообщении описывались действия этих кораблей:

Рано утром 21 ноября судно SS Portia сделало запланированную остановку в гавани Берина. К счастью, на борту имелось беспроводное радио, а также был связист, который немедленно отправил в Сент-Джонс радиограмму с описанием ситуации. Капитан судна Уэстбери Кин позже писал в Evening Telegram, как был потрясен увиденными разрушениями: «Представьте себе наши удивление и изумление, когда мы повернули в канале и встретили большой склад, медленно дрейфующий вдоль берега в сторону моря; затем мы прошли на небольшом расстоянии от другого склада или дома, и, прежде чем достичь гавани, мы насчитали 9 зданий, выброшенных на берег. В гавани нашим глазам предстало еще более тяжелое зрелище».

Из США, Канады и Соединенного Королевства поступили пожертвования на общую сумму в четверть миллиона долларов.

Тогда люди еще не знали, что для этого региона землетрясение было необычайно сильным – с магнитудой 7,2. Стихия такой мощности обычно наносит гораздо больший ущерб, но эпицентр этого землетрясения находился далеко от поселений, в 400 км к югу от Ньюфаундленда, глубоко под Большой Ньюфаундлендской банкой – рыболовным районом, где ведется масштабный промысел трески. Поэтому сейсмические волны прошли большое расстояние и потеряли много энергии, прежде чем достигли обитаемых берегов.

Случилось еще одно примечательное происшествие: прервалось почти все телеграфное и телефонное сообщение между Северной Америкой и Европой. В то время не существовало радио, спутников, микроволновой связи и других беспроводных методов коммуникации. Все телефонные и телеграфные сообщения через Атлантику шли по огромным трансатлантическим кабелям, которые прокладывали с помощью судов, начиная с 1858 г. (рис. 15.1). В проектировании кабеля участвовал знаменитый физик лорд Кельвин, с которым мы познакомились в главе 8. Линия длиной 2300 морских миль (4300 км) шла по глубокому дну Атлантического океана от Англии до Ньюфаундленда, откуда сообщения затем передавали по наземным сетям по всей Северной Америке. К 1929 г. на континентальном шельфе у Большой Ньюфаундлендской банки лежали 12 таких кабелей.

Рис. 15.1 Система трансатлантических кабелей. Источник: Wikimedia Сommons

Со временем люди отправили суда, подняли кабели, устранили повреждения и восстановили трансатлантическую связь. Было понятно, что кабели оборвало землетрясение, но никто не знал, как это произошло. Тайна оборванных кабелей на долгие годы оказалась похоронена в бумагах и забыта.

Фрагмент головоломки № 2: Тайна сортированной слоистости

Геологи давно пытались разобраться в горных породах древнейшей Земли, особенно в породах архейского эона (4,0–2,5 млрд лет назад). Как мы видели в предыдущих главах, эти материалы, похоже, говорят о мире, который весьма отличался от современного. Например, континентальная кора была очень тонкой и горячей и состояла из небольших микроконтинентов, или протоконтинентов; она не походила на толстую и холодную континентальную кору, которую мы видим сегодня. Океаническое дно формировалось из лав, выплескивавшихся из глубин нижней части коры, а также из мантии; после докембрия эта своеобразная богатая оливином лава – коматиит – уже не извергалась; все современные лавы океанского дна состоят из базальта. Железистые кварциты полосчатой формации (см. главу 14) встречаются во многих океанских бассейнах по всему миру, и это позволяет предположить, что до окончания архея в атмосфере практически не было свободного кислорода. К тому же, как мы видели в главе 11, Луна располагалась намного ближе к Земле, поэтому она не только казалась огромной, но и обеспечивала сильные приливы: гигантские «приливные волны» прокатывались по мелководным морям планеты каждые несколько часов.

Еще более примечательными были осадочные породы – например, песчаники. Почти во всех породах моложе архея обычные песчаники состоят преимущественно из прочного кварца – самого распространенного минерала на поверхности Земли. Дело в том, что большинство других минералов (таких как полевые шпаты, составляющие основу различных видов магматических пород) быстро разрушаются в результате химического выветривания^[60]. Кварц же, напротив, химически стоек (это просто диоксид кремния, SiO₂), к тому же у него нет такой спайности, как у полевых шпатов, и поэтому он не так легко расщепляется на фрагменты. Соответственно, когда зерна кварца выветриваются из коренных пород, а затем уносятся реками и ручьями, они выдерживают постоянные столкновения с другими твердыми зернами, а также сопротивляются растворению. В конце концов, когда эти реки доносят песок до своих нижних пойм или даже до пляжей и морей, то значительная его часть приходится на кварц: другие минералы в большинстве пляжных и речных песков встречаются лишь в незначительном количестве.

Затем эти пески продолжают существовать: погребаются в осадочном бассейне, цементируются, образуя песчаники, снова поднимаются, превращаясь в горы, снова разрушаются эрозией и повторно образуют отложения. С каждым разом песчаники становятся богаче кварцем, и почти все нестойкие зерна (например, полевые шпаты или фрагменты горных пород) полностью исчезают. Чем выше в песке процентное содержание кварца и других очень прочных минералов (например, циркона, турмалина и рутила, по которым определяется индекс ZTR), тем более этот песчаник «зрелый». Некоторые песчаники считаются «сверхзрелыми», потому что они на 99,99 % состоят из чистого кварца с очень хорошо окатанными и отсортированными зернами одинакового размера. Геологи, исследующие осадочные породы, долго размышляли над тем, какие условия могут довести кварцевый песок до такого состояния. Большинство соглашается, что для появления песчаника, богатого кварцем с хорошо окатанными зернами, песок должен провести хотя бы какой-то период времени в песчаной дюне, переносимой ветром. Затем, наконец, песок в последний раз сбрасывается в океан, и он превращается в песчаник.

Именно это специалисты по осадочным породам ожидали от любого песчаника возрастом менее 2 млрд лет, и именно так мы смотрим на формирование песчаников сегодня. Но когда геологи отправились в те редкие места, где обнажались архейские осадочные породы (например, центр Канады, Южная Африка или Бразилия), они удивились. Обычных песчаников там не было вовсе. Вместо этого почти все осадочные породы (кроме полосчатых железистых кварцитов) представляли собой мощные параллельные слои песчаника, многократно (десятки и сотни раз) чередующиеся со слоями глинистых сланцев и простирающиеся на большие расстояния без изменения мощности (рис. 15.2).

Рис. 15.2 (А) Повторяющаяся сортированная (градационная) слоистость, типичная для архейских отложений. Фото предоставлено Карлом Вирцем (Karl Wirth). (В) Схема сортированной (градационной) слоистости, показывающая более крупный материал в основании и более тонкий наверху каждого слоя

Примечательной оказалась и природа этих песчаников. Это были отнюдь не чистые кварцевые насыпи, столь типичные для более поздних времен, а горная порода, которую немецкие геологи назвали граувакка^[61], – незрелый песчаник с большим количеством глин либо илов, заключенных между зернами, а не с чистыми порами, характерными для обычных песчаников. Еще удивительнее было то, что у каждого слоя граувакки была важная особенность, известная как сортированная, или градационная, слоистость (рис. 15.3): в основании слоя находился наиболее массивный материал (гравий и крупнозернистый песок), а по мере приближения к верхней части пласта песок становился все тоньше и тоньше; на самом верху часто оказывались тонкозернистые глинистые сланцы.

Рис. 15.3 Механизм мощных гравитационных (турбидитных) потоков, которые отвечают за образование сортированной (градационной) слоистости. Предоставлено Национальным управлением океанических и атмосферных исследований

Все эти особенности были необычными, хотя в мире существовали места (например, предгорные впадины перед вздымающимися Альпами в Германии или глубоководные котловины в Южной Калифорнии) с молодыми граувакками, где можно обнаружить сортированную слоистость, чередующуюся с глинистыми сланцами. Однако оставалось загадкой, как эти породы образовались. Сортированная слоистость предполагает, что смесь песка с илом оседает из взвеси, при этом самые крупные зерна тонут быстрее всего, а тонкозернистые илы опускаются очень медленно, поэтому зерна и располагаются от крупных к мелким по размеру. Все это было достаточно ясно, но как объяснить, почему один и тот же процесс происходил сотни раз подряд? Геологи могли представить себе один слой, отображающий переход от мелководного песчаника к глубоководным сланцам, но для того, чтобы то же самое случалось вновь, вновь и вновь, уровень моря должен был быстро подниматься и опускаться, как игрушка йо-йо, – а это уже какой-то геологический абсурд.

Чем больше ученые ломали голову над этими своеобразными явлениями, тем сильнее приходили в замешательство. Легендарный специалист по осадочным породам Фрэнсис Джон Петтиджон в своей знаменитой автобиографии 1984 г. «Мемуары упорствующего полевого геолога» (Memoirs of an Unrepentant Field Geologist) описывает, как работал над картами архейских пород в северной Канаде в конце 1920-х – начале 1930-х гг. Вот характерная цитата (с. 123):

Меня поразила распространенность граувакки. Все архейские песчаники были граувакками – темные, заполненные угловатым кварцем, полевым шпатом и частицами пород. Почему архейские песчаники так отличались по внешнему виду от чистых белых докембрийских кварцитов гуронского периода [раннего протерозоя] на северном побережье озера Гурон и кварцитов железных кряжей Мичигана? Кроме того, выделялся архейский комплекс – зеленокаменные породы и граувакки, без известняков и кварцевых аренитов [кварцевых песчаников].

Несмотря на озадаченность, разные геологи изо всех сил пытались объяснить эти примечательные отложения. В 1930 г. Эдвард Баттерсби Бейли предположил, что причина их специфики – в периодических землетрясениях, нарушающих отложения, которые затем медленно оседают. Другие специалисты выдвигали еще более оригинальные версии. Большинство просто довольствовалось подробным описанием феномена, но воздерживалось от гипотез, касающихся его первопричин. Одно было понятно в отношении архейских песчаников: все они незрелые граувакки, явно недавно выветрившиеся с поверхности Земли – без какой-либо сортировки, перевеивания или рециклинга, чем объяснялось отсутствие чистого кварцевого песчаника. Очевидно, это были отложения, образовавшиеся путем осаждения сначала более крупных, а затем более мелких зерен под действием силы тяжести; но как именно это происходило и почему процесс ритмично повторялся, до последнего времени оставалось загадкой.

Фрагмент головоломки № 3: Турбидитные потоки

Важные открытия были сделаны между тем в совершенно другой области. В 1936 г. закончилось строительство плотины Гувера, и когда позже расположенное перед нею водохранилище Мид стало заполняться, инженеры с удивлением обнаружили, что не весь песок, попадающий из реки Колорадо в верхнюю часть водохранилища, остается там же. Когда они взяли образцы из реки гораздо ниже устья, то обнаружили мощные песчаные пласты, которые двигались по дну водохранилища под стоячей водой, иногда без помощи течения преодолевая сотни километров. Инженеры измерили параметры этих потоков осадочных отложений, скользивших по дну водохранилища со скоростью до 30 см в секунду (около километра в час). Эти массы текучего песка оказались плотнее воды (1,05 грамма на кубический сантиметр, а не 1,0 грамма на кубический сантиметр, как у чистой воды) и формировали песчаные пласты толщиной до 2 м. Канадский геолог Реджинальд Дейли предположил, что обнаруженные на дне водохранилища Мид песчаные гравитационные потоки (сейчас их называют турбидитными^[62], или мутьевыми, потоками) могут также объяснить сортированную слоистость, наблюдаемую в других местах. Однако не было никаких экспериментальных данных, подтверждающих эту идею.

Геологам требовались моделирование и эксперименты, которые могли бы верно показать, как ведут себя такие образования. Этот пробел заполнил изобретательный голландский геолог Филипп Кюнен из Гронингенского университета. Перед Второй мировой войной он участвовал в океанографических работах, которые исследовательское судно Snellius вело в Голландской Ост-Индии в 1929–1930 гг. Тогда на дне континентального шельфа были обнаружены огромные подводные каньоны, и в 1937 г. Кюнен опубликовал об этом статью. В ходе рейса драгированием удалось достать пески из глубин океана и получить керны донных отложений, которые, казалось, демонстрировали сортированную слоистость, сформировавшуюся в глубоководных условиях. Основываясь на этих данных, Кюнен в следующей своей публикации 1938 г. предположил, что подводные каньоны были размыты действующими под влиянием гравитации потоками (по сути, подводными оползнями), которые и отложили песчаники с сортированной слоистостью.

Когда Вторая мировая война закончилась, Кюнен решил проверить свою гипотезу. Он соорудил в лаборатории длинные желоба шириной около фута и наполнил их водой. У некоторых желобов были прозрачные стеклянные стенки, так что можно было наблюдать за происходящим. По сути, эти конструкции походили на очень вытянутые, мелкие и узкие аквариумы. Их установили с легким наклоном, таким, чтобы вода оставалась неподвижной. Затем Кюнен насыпал с одного края желоба смесь и смотрел, как вода стекает исключительно под действием силы тяжести. Вначале это была мутная турбулентная взвесь ила и песка, вихрящаяся сразу после сбрасывания смеси. Однако вскоре она превращалась в турбулентный поток, который быстро двигался по дну желоба изолированной массой, не смешиваясь с чистой водой в силу своей плотности (рис. 15.4). Результаты экспериментов были представлены в статье 1950 г., написанной Кюненом в соавторстве с итальянским геологом Карло Мильорини, а затем и в его публикации 1951 г. Вскоре геологи по всему миру стали изучать турбидиты (возникающие ассоциации осадочных пород), и таинственные слои архея с их градационной слоистостью начали обретать объяснение.

Рис. 15.4 Фотография природного подводного турбидитного потока, показывающая плотную турбулентную массу взвешенного осадка, двигающуюся под чистой водой. Этот турбидитный поток не смешивается с ней, оставаясь обособленным. Источник: Wikimedia Сommons

Головоломка решена!

На основе исследований образцов пород, извлеченных драгированием и бурением из морских глубин, обнажений древних пластов с сортированной слоистостью и экспериментов Кюнена была создана модель турбидитных потоков. Однако эти процессы происходили на очень больших глубинах (более полутора километров), и потому никто не мог наблюдать за ними в режиме реального времени.

Озарение снизошло на океанографа Брюса Хейзена из Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти Колумбийского университета (ныне Обсерватория Земли Ламонт-Доэрти). (Брюс и сотрудничавшая с ним Мари Тарп нанесли на карту все океанское дно; я познакомился с ними, когда был в Обсерватории Ламонт и Колумбийском университете во второй половине 1970-х гг. В 1977 г. Брюс умер от сердечного приступа, проводя исследования на подводной лодке.) Однажды Брюс обрабатывал данные, полученные в ходе обследования океанского дна около Большой Ньюфаундлендской банки, и наткнулся на отчеты о землетрясении 1929 г. и на сообщение о том, что 12 разных трансатлантических кабелей внезапно оборвались, прервав телеграфную и телефонную связь. Поскольку было известно точное время прекращения связи, можно было определить, когда именно повредился каждый из кабелей. Затем ученый нанес на карту время, когда кабели был оборваны, и конкретные места, где они находились на поверхности Большой Ньюфаундлендской банки или на склоне материкового подножия (пологий участок у основания континентального склона). Выстроенная последовательность событий показывала, что первые кабели оборвались в верхней части континентального шельфа, а каждый последующий разрыв происходил ниже по склону, обращенному в сторону океана. Может быть, кабели сработали как проволока-растяжка, последовательно обрываясь, когда вызванный землетрясением мощный турбидитный поток, несший песок, с грохотом обрушился с мелководного шельфа? Все, что теперь требовалось, – рассчитать время разрыва после землетрясения и расстояние от «растяжек» до эпицентра, а затем нанести их на диаграмму (рис. 15.5). В итоге на графике получилась плавная кривая, и наклон ее демонстрирует скорость подводного оползня на разных участках, когда он пронесся на расстояние 600 км вниз по мелководному шельфу в глубоководную зону океана. Наверху, где склон был самым крутым, оползень двигался со скоростью 25 м в секунду (90 км в час). По мере того, как поток замедлялся в более глубоких водах, где дно становилось пологим, скорость упала до 9 м в секунду (32 км в час), а затем до 7 м в секунду (25 км в час). Практически сохраняя этот темп, оползень скользил еще много часов – даже когда океанское дно уже не имело уклона, потому что из-за колоссального импульса, приданного гравитацией, поток мог двигаться и по плоскости многие километры.

Рис. 15.5 Схема событий при землетрясении 1929 г. у Большой Ньюфаундлендской банки и скорость турбидитного потока, повредившего 12 трансатлантических кабелей. Составлено по нескольким источникам

В 1952 г. Хейзен описал этот поразительный природный эксперимент в области геологии и опубликовал статью в соавторстве со своим руководителем – основателем Обсерватории Ламонт Морисом «Доком» Юингом. Наконец-то была разгадана тайна таинственной сортированной слоистости архейских пород, возраст которых превышает 2,5 млрд лет, – благодаря целеустремленному голландскому экспериментатору и случайному эксперименту, поставленному природой с помощью смертоносного землетрясения. Наука иногда работает удивительным и загадочным образом.

16. Тропические ледники и земля-снежок
Диамиктиты

Я думаю о теории космического Снежка. Через несколько миллионов лет Солнце выгорит и притяжение уменьшится. Земля превратится в гигантский снежок и устремится в космос. Когда такое произойдет, будет уже неважно, уберу ли я этого парня.

Бейсболист Билл Ли

Австралийская головоломка

Геология в Австралии может быть как благословением, так и проблемой. Среди плюсов – тот факт, что большая часть этого континента представляет собой сухую пустыню или кустарниковую степь, поэтому здесь множество обнажений горных пород. На континенте очень мало растительности – в отличие от более влажных регионов планеты, где растения, покрывавшие почти всю сушу, мешали первым британским геологам (главы 4–7) и другим ученым, занявшимся изысканиями после них. Я провел основную часть своей геологической карьеры в пустынях и бедлендах^[63], потому что только в таких местах есть подходящие обнажения, где можно найти окаменелости. А минус в том, что Австралия – большой, стабильный блок континентальной коры, в истории которого было сравнительно немного крупных столкновений или процессов горообразования, рождавших осадочные бассейны и разрушавших горные породы, а за последние 250 млн лет этого и вовсе не происходило. Осадочные отложения на большей части Австралии совсем маломощные и не выдержанные, поэтому они не подходят для изучения длинных последовательностей горных пород и окаменелостей – в отличие от многих других регионов мира.

Некоторые части геологической летописи в Австралии отсутствуют или почти отсутствуют. Хорошо представлена лишь последовательность отложений для большей части докембрия, например, строматолиты (глава 13) и железистые кварциты (глава 14), а особенно подходят для наблюдения здесь породы верхнего докембрия, о которых и пойдет речь. Большинство палеозойских подразделений Австралии относительно тонки, и в них по сравнению со многими другими континентами мало окаменелостей. В летописи австралийского мезозоя найдется несколько ярких пятен, однако нет той мощной пачки пластов, богатых окаменелостями динозавров, которые прослеживаются в Северной и Южной Америке, Евразии и Африке. К кайнозою тектоническая активность почти полностью прекратилась, поэтому здесь очень мало слоев с ископаемыми млекопитающими, и в целом летопись кайнозойских окаменелостей относительно бедна. Исключением служат необычные отложения заповедника Риверслей в штате Квинсленд. Его окаменелости соответствуют миоцену и состоят в основном из ископаемых млекопитающих и других наземных животных, упавших в карстовые воронки в известняке.

Тем не менее австралийские геологи делали все, что могли. Многие ученые изучали докембрийские полосчатые железистые кварциты, окаменелости мягкотелых позднего протерозоя в хребте Флиндерс или удивительно хорошо сохранившихся девонских рыб формации Гоугоу.

Один из таких геологов – легендарный сэр Дуглас Моусон (1882–1958), который также известен как исследователь Антарктики (рис. 16.1). Он начал свою карьеру, изучая горные породы в Меланезии, а позже в Новом Южном Уэльсе; затем в 1907 г. присоединился к экспедиции сэра Эрнеста Шеклтона в Антарктиду, где оставался более двух лет – большинство членов отряда к тому времени уже вернулись. Моусон первым взошел на Эребус, второй по высоте вулкан Антарктиды (3794 м). Он, кроме того, один из первых людей, побывавших на Южном магнитном полюсе. К счастью, геолог отказался в 1910 г. присоединиться к злополучной экспедиции Роберта Скотта к Южному полюсу. Скотт со спутниками добрались до полюса только через месяц после норвежца Руаля Амундсена, а затем вся его группа погибла при возвращении.

Рис. 16.1 Фотографии Дугласа Моусона. (А) Моусон опирается на сани в начале Австралийской антарктической экспедиции в 1912 г. (В) Моусон, все еще страдающий от обморожения и недоедания, через неделю после одиночного возвращения из разведочного похода в феврале 1913 г. Источник: Wikimedia Сommons

Вместо этого Моусон в 1911 г. организовал и возглавил Австралийскую антарктическую экспедицию, которая нанесла на карту и изучила большую часть Восточной Антарктиды. В одном из разведочных походов участвовали, кроме Моусона, англичанин Белграв Ниннис и швейцарец Ксавье Мерц. Через месяц Ниннис провалился в трещину вместе с нартами, где лежали запасы продовольствия для людей и собак, так что из-за недостатка еды Моусону с Мерцем пришлось возвращаться на базу, питаясь мясом оставшихся собак. Оба страдали от гипервитаминоза А, поскольку съели слишком много собачьей печени. Мерц умер в пути, а Моусон в одиночку преодолел в холод полтораста километров, при этом однажды упал в расселину и повис на веревке от саней. Он вспоминал, что успел сказать себе: «Это уже конец», поскольку ждал, что сани соскользнут в пропасть, но они остановились, и полярник сумел выбраться на поверхность. Состояние Моусона все ухудшалось, на ногах в местах обморожений стала сходить кожа. Когда он сумел добраться до базы, где оставалось несколько человек из других партий, оказалось, что экспедиционное судно только что ушло. С капитаном связались по радио, но сильный ветер не позволил экипажу вернуться. Так Моусон остался еще на одну зимовку и в итоге провел в Антарктиде почти три года. Дэвид Робертс изложил эту историю в книге «Один во льдах: Величайшая история выживания в истории путешествий» (Alone on the Ice: The Greatest Survival Story in the History of Exploration). Сам Моусон в книге «Родина снежных бурь» (The Home of the Bizzard) описывает свое изматывающее путешествие, в том числе пронизывающий ветер на мысе Денисона: скорость его составляла в среднем около 100 км в час – с порывами до 350 км в час.

Оправившись от пережитого, Моусон помогал в поисках тел и дневников участников злополучной экспедиции Скотта. Во время Первой мировой войны он служил в британской армии, а в 1919 г. вернулся в Австралию и оставался профессором геологии в Аделаидском университете до выхода на пенсию в 1952 г. Бо́льшую часть своей карьеры он занимался картированием и изучением геологии Австралии, особенно хребта Флиндерс в Южной Австралии, который теперь известен своими верхнепротерозойскими породами и древними видимыми макроскопическими окаменелостями странных существ, составлявших так называемую эдиакарскую биоту. Однако тяга к исследованиям Антарктики была у него в крови, и в 1929–1931 гг. он возглавил совместную британо-австрало-новозеландскую антарктическую экспедицию, в результате которой была определена Австралийская антарктическая территория. Моусон умер в 1958 г. в возрасте 76 лет – не в какой-нибудь ледяной пустыне, а от старости в собственной постели. Геолога считают одним из величайших исследователей и ученых Австралии, одно время его портрет изображали на австралийской 100-долларовой банкноте, а его имя носят многие места Австралии и Антарктиды.

Благодаря своему многолетнему опыту работы на антарктическом континенте Моусон был прекрасно знаком с ледяными щитами и ледниковыми отложениями. В породах верхнего докембрия хребта Флиндерс и в других местах Южной Австралии он обнаружил мощные отложения так называемого ледникового тилла (рис. 16.2). Тилл (морена) представляет собой неупорядоченную и нестратифицированную массу валунов, гравия, песка и глинисто-алевритового материала, которую оставляет фронт ледника, когда лед начинает таять. Эти отложения весьма характерны, поскольку другие источники не производят ничего подобного, и поэтому в геологической летописи они служат признаком древнего оледенения. Однако многие геологи предпочитают использовать термин «диамиктит» (от древнегреческих слов, означающих «тщательно перемешанный»), а иногда слово «тиллоид» – как уклончивый способ описания пород с такой текстурой, не указывающий прямо, что они ледниковые. Вслед за Оскаром Куллингом (работа 1934 г.) и Уолтером Хаучином Моусон пришел к выводу, что тиллоиды – свидетельство какого-то глобального ледникового явления в позднем протерозое, поскольку древние ледниковые отложения в Австралии находились недалеко от современного экватора. Но к концу 1950-х – началу 1960-х гг. геологи стали отвергать эту идею, поскольку тектоника плит показала, что Австралия и другие континенты с течением времени перемещались на большие расстояния. Австралийские докембрийские ледниковые отложения предположительно могли появиться в то время, когда континент находился ближе к Южному полюсу. По иронии судьбы сегодня нам известно, что Австралия в то время находилась прямо на экваторе, то есть даже в более жарком климате, чем считал Моусон, так что его доказательства были надежнее, чем думали другие специалисты.

Сэндвич из ледниковых отложений с известняком

Однако идея глобального оледенения в позднем докембрии не умирала. В 1964 г. кембриджский геолог Уолтер Брайан Харланд (1917–2003) опубликовал знаменитую статью, в которой показывал, что ледниковые отложения тропического верхнего докембрия не ограничивались Австралией. Как и Моусон, Харланд не понаслышке был знаком с ледниками и ледовыми щитами, поскольку провел много времени в Арктике. Он создал Кембриджскую программу арктического шельфа, а с 1938-го по 1960-е гг. лично участвовал в 43 полярных полевых сезонах (и возглавлял 29 из них), составляя геологическую карту архипелага Шпицберген (он же по-норвежски Свальбард) – группы островов между Норвегией и Гренландией. Геолог обнаружил не только отложения недавно таявших ледников, но и обильные ледниковые отложения верхнего докембрия – причем как на Шпицбергене, так и в Гренландии и Норвегии.

Рис. 16.2 Ледниковые тиллы: диамиктит формации Элатина (поздний докембрий). Фото предоставлено Полом Хоффманом (Paul Hoffman)

Харланд продемонстрировал больше, чем просто наличие древних ледников. Он указал, что многие верхнедокембрийские ледниковые отложения оказались зажатыми между слоями известняка. Это более чем удивительно, потому что в наши дни известняки образуются только на теплых тропических или субтропических мелководьях – в районах Багам, Флориды, Юкатана, Персидского залива и южной части Тихого океана. Если бы такой сэндвич из ледниковых отложений и известняков образовался в результате современных процессов, это должно было бы происходить в тропиках и на уровне моря. Сегодня известно несколько мест с тропическими ледниками (например, вершина горы Килиманджаро в Кении или Перуанские Анды), но эти ледники находятся высоко в горах. Тропические ледники на уровне моря кажутся нереальным явлением, однако данные Харланда были неопровержимы. Но если тропики покрыты льдом, то оледенеть должны и полюсы – а потому и вся планета в позднем докембрии.

Харланд дополнительно подкрепил свои выводы данными палеомагнетизма. Он стал одним из первых ученых, измеривших направления магнитных линий в древние времена: они зафиксировались в горных породах на момент их образования и могут сказать нам, на какой широте сформировался данный комплекс материалов. Палеомагнитные направления для всех этих горных пород Шпицбергена, Гренландии и Норвегии доказывали их тропическое или субтропическое расположение в докембрии, поэтому сэндвич известняк – тилл – известняк нельзя было считать какой-то случайностью. Палеомагнитные данные из Австралии в то время были не очень надежными, однако более поздние анализы показали, что моусоновские докембрийские сэндвичи ледниковых отложений и известняков находились прямо на экваторе. Но если у нас есть неоспоримые доказательства существования льда в тропиках на уровне моря, то, очевидно, в ту эпоху происходило нечто странное.

Снежок появляется

В 1960-х и 1970-х гг. многие геологи все еще не знали, что делать с данными и аргументами Моусона и Харланда, поскольку казалось совершенно невероятным, чтобы Земля могла промерзнуть вплоть до экватора. Несмотря на все подтверждения, ученые склонялись к отказу от этой идеи, потому что многие не были уверены в надежности палеомагнитных данных. Кроме того, вполне можно представить себе не столь экстремальные сценарии, то есть такие, в которых переход от известняка к ледниковым отложениям происходил в какой-либо локальной области, а мир целиком не замораживался. Труднее всего было вообразить, как вся планета могла полностью замерзнуть. Каким образом Земля могла так быстро перейти от теплого тропического известнякового мира к тропическому оледенению, а затем вернуться обратно от ледниковых отложений к тропическим известнякам?

Ответ на этот вопрос пришел с неожиданной стороны, а именно из области моделирования климата. В 1969 г. геофизик Михаил Будыко из Ленинградской геофизической обсерватории^[64] опубликовал статью, в которой показал, как легко может замерзнуть планета, когда ледяной щит начнет расти. Он указал на хорошо известный климатический эффект, известный как обратная связь лед – альбедо. Термин «альбе́до»^[65] – просто изящное слово для обозначения отражательной способности поверхности. Если вы когда-нибудь катались на лыжах или сноуборде, то знаете, что снежный или ледяной покров отражает большую часть падающего на них солнечного света; говорят, что у них высокое альбедо. Поэтому вам нужны хорошие защитные очки, которые ослабляют яркость света, пропуская его через затемненные линзы. Напротив, темные поверхности (например, леса или открытый океан) поглощают гораздо больше солнечного света, а отражают его мало.

Система обратной связи лед – альбедо крайне чувствительна к небольшим изменениям, которые могут очень быстро превратить замороженное состояние в такое, где льда нет, и обратно. Например, предположим, что поверхность Земли покрыта льдом, поэтому у нее высокое альбедо и она отражает основную часть солнечной энергии. Пусть планета начинает слегка нагреваться. Тогда ледяной покров немного растает, обнажая участки темной земли и воды. Они начнут поглощать больше солнечного света и выделять тепло, которое станет еще больше растапливать лед. Таким образом, произойдет процесс с положительной обратной связью, который в конечном итоге за очень короткое время растапливает лед. Теперь давайте представим, что планета, наоборот, в основном темная, но выдались несколько холодных зим, и в результате снег и лед задерживаются несколько дольше. Увеличившийся ледяной покров отражает больше энергии обратно в космос, и Земля становится прохладнее; поэтому в следующие зимы появляется еще больше снега и льда, и ледяной щит разрастается. Не успеете оглянуться, как система снова окажется в ледниковом периоде.

Хотя ученые знали, что альбедо – ключевая характеристика полярных регионов, и объяснили, почему эти территории так чувствительны к небольшим изменениям глобальной температуры, Будыко пошел дальше. Он показал возможность «ледяной катастрофы»: если у вас есть хотя бы небольшой ледяной щит в субтропических или тропических широтах, то обратная связь может заработать на полную мощность и быстро заморозить всю планету. Единственная проблема в этой модели заключалась в следующем: как разморозить планету, когда она полностью застыла и когда ее альбедо так велико, что большая часть поступающей энергии отражается обратно в космос. Скованный стужей отражающий ледяной шар – это тупик, и разогревающая часть цикла обратной связи не может его спасти.

Решение в 1981 г. предложили Джеймс Уокер, Пол Хейс и Джеймс Кастинг. Их статья в основном посвящалась тому, как выветривание силикатных минералов в почвах ландшафта может поглощать углекислый газ, но в последних абзацах авторы говорили о моделях Будыко и о том, как ледяная шапка отключает механизм выветривания, приводя, по мнению Будыко, к «ледяной катастрофе». В заключение они в одной короткой фразе указали на другой возможный механизм – вулканы. В отличие от многих других замерзших планет в космосе (в том числе Марса), у Земли есть активная кора с тектоникой плит, которая питает большое количество вулканов. При извержениях вулканов выделяется много газов, особенно парниковых, – углекислый газ, водяной пар, метан и диоксид серы. Даже если планета действительно окажется целиком замороженной, постепенно накапливающиеся вулканические газы будут нагревать ее посредством парникового эффекта, так что лед в конце концов начнет таять. И как только обнажится достаточная площадь темной поверхности, начнется цикл обратной связи, который быстро превратит промерзшую планету в планету субтропическую – свободную ото льда, а в тропиках появятся известняки.

После публикации эту идею обсуждали некоторые специалисты, работавшие с ледяными отложениями позднего докембрия, однако широкой известности она не получила. Все изменилось с появлением легендарной статьи Джозефа Киршвинка, ныне профессора геобиологии в Калифорнийском технологическом институте. Джо – один из самых блестящих умов, которых я когда-либо встречал: за неделю у него рождается больше отличных идей, чем у большинства людей за всю жизнь. Джо – один из лучших в 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 больше ускоряло глобальное потепление. Геохимический состав океана был теперь настолько богат растворенными карбонатами, что огромные залежи кальцита выпадали в осадок прямо из морской воды, образуя покровные карбонаты. В итоге Земля снова становилась стабильной – на ней опять существовали и теплые тропические регионы, и холодные полярные. Дальнейшие исследования показали, что описанный процесс происходил как минимум дважды или трижды в позднем протерозое и один раз – в раннем протерозое (около 2 млрд лет назад); последнее оледенение называют гуронским (рис. 16.4). Оно основывается на хорошо известном тиллите формации Гоуганда на берегу озера Гурон и свидетельствует, что ситуация с Землей-снежком не уникальна и при надлежащих условиях может повторяться несколько раз.

Из снега или из снежуры?

Как и все ученые, геологи скептически относятся к новым идеям, особенно тем, которые кажутся выходящими за рамки нормы. За последние 25 лет модель Земли-снежка подтверждается все новыми и новыми данными, поэтому большей части геологического сообщества пришлось согласиться с очевидным выводом, что нечто такого рода должно было являться по крайней мере трижды или четырежды.

Однако все же есть и другие мнения. Некоторые геологи хотя и признают, что в позднем протерозое на экваторе существовали ледники на уровне моря, тем не менее не считают, что при этом окоченели все тропические регионы, а планета превратилась в замерзший ком. Они предпочитают чуть менее экстремальную гипотезу, названную Slushball, то есть Шар из снежуры (смеси снега, льда и воды). В этой модели какое-то оледенение на экваторе происходило (это подтверждают имеющиеся факты), однако бо́льшая часть тропического региона была пусть и холодной, но все же свободной ото льда. Сторонники такой версии указывают на геологические свидетельства отложений, которые могли образоваться только в воде, а не во льдах. Первоначальная модель Киршвинка тоже допускала существование некоторых свободных ото льда областей в тропиках, так что новизны в этом нет. Кроме того, многие геологи видят подтверждения версии Киршвинка в том, что эпизоды с Землей-снежком отличались быстрыми колебаниями ледниково-межледниковых циклов, как это было в последние ледниковые периоды (см. главу 25), а это допускает одновременно наличие и ледниковых отложений, и отложений, сформировавшихся в проточной воде и в незамерзающих океанах. Важнее всего, что датировка отдельных эпизодов Земли-снежка в позднем протерозое показывает глобальную синхронность: события от полюса до экватора происходили в одно и то же время. Все перечисленное говорит в пользу именно экстремальной гипотезы шара из снега, а не из снежуры, потому что в моделях со снежурой границы льда отступают при повышении уровня углекислого газа – однако этого не наблюдается в модели Земли-снежка для позднего протерозоя.

Одно из следствий модели Земли-снежка – то, что сильное замерзание в конце протерозоя, по-видимому, вызвало большие изменения в жизни на планете. Мы обнаруживаем в морских осадочных отложениях множество окаменелостей спор эукариотических водорослей (известных как акритархи), обитавших на Земле до оледенения. Затем они, вероятно, пережили массовое вымирание, потому что после окончания стадии Земли-снежка разнообразие акритархов исчезает. Вместо этого в конце позднего протерозоя мы видим признаки возвращения жизни во множестве более сложных форм, включая многоклеточные организмы. К концу протерозоя по всей Земле появляются первые крупные многоклеточные животные; этот комплекс известен как эдиакарская биота. Впервые их обнаружил Рег Спригг в исследованном Моусоном австралийском хребте Флиндерс, а описал палеонтолог Мартин Глесснер. В то время как эти существа процветали, уже полным ходом шла диверсификация многоклеточной животной жизни (например, трилобитов). У данного явления есть вводящее в заблуждение название «кембрийский взрыв», хотя ему больше подошло бы обозначение «кембрийский длинный фитиль», поскольку от первых эдиакарских существ до первых трилобитов прошло 70 млн лет.

Вполне справедливо, что один из странных медузоподобных отпечатков эдиакарской биоты назван Mawsonites spriggi – в честь двух человек, один из которых нанес на карту хребет Флиндерс, а другой открыл эдиакарскую фауну.

17. Парадокс в горных породах: блуждающие окаменелости и странствующие массивы суши
Экзотические террейны^[67]

Вот парадокс, вот парадокс,

Замысловатый парадокс!

Софизмов слышали мы тьму,

Но не смекаем, что к чему!

Да, парадокс, да, парадокс,

Замысловатый парадокс!

Ха-ха-ха-ха-ха-ха-ха-ха,

Вот парадокс!

Уильям Гилберт. Из либретто комической оперы «Пираты Пензанса»

Парадоксальные трилобиты

Чарльз Дулиттл Уолкотт был озадачен. В 1880–90-х гг. он собрал тысячи кембрийских окаменелостей (в основном трилобитов) в самых разных местах от Калифорнии и Невады до канадских Скалистых гор, северных районов штата Нью-Йорк и Новой Англии. На большей части территории Северной Америки трилобиты раннего кембрия были очень похожи. Одни и те же примитивные членистоногие, известные как оленеллиды (рис. 17.1), встречаются от пустыни Мохаве до западного Ньюфаундленда. Однако в восточном Ньюфаундленде попадаются совершенно другие окаменелости. Еще более странным выглядел тот факт, что раннекембрийские трилобиты Шотландии больше походили на трилобитов Северной Америки, нежели на трилобитов из прочих мест Великобритании или Европы. Уолкотт назвал трилобитов, обитавших от Тихоокеанского побережья до западного Ньюфаундленда, «тихоокеанской фауной», а трилобитов, обитавших в восточном Ньюфаундленде и Шотландии, – «атлантической фауной», хотя эти фаунистические провинции и не соответствовали современным океанам: некоторые трилобиты «тихоокеанской фауны» были обнаружены в западной части Ньюфаундленда, граничащей с современным Атлантическим океаном (рис. 17.2).

Рис. 17.1 Трилобиты. (А) Olenellus – представитель самых примитивных известных трилобитов, типичный для раннего кембрия («тихоокеанская фауна»). Источник: Wikimedia Сommons. (В) Типичные трилобиты среднего кембрия («тихоокеанская фауна») с хребта Хаус в штате Юта. Крупные трилобиты – Elrathia kingii, мелкие – агностиды Peronopsis interstricta, которые, по-видимому, были слепыми и плавали в планктоне. Фото автора

Рис. 17.2 Карта, показывающая распределение окаменелостей «атлантической фауны» и «тихоокеанской фауны» (трилобитов и граптолитов) по обеим сторонам Атлантического океана. Окаменелости Шотландии и Северной Ирландии имеют больше общего с образцами из Северной Америки («тихоокеанская фауна»), чем с окаменелостями остальных частей Британских островов, в то время как окаменелости восточного Ньюфаундленда, Нью-Брансуика, Новой Шотландии и восточного Массачусетса ближе к европейским образцам, чем к найденным на остальной части Америки («атлантическая фауна»). Пунктирная линия показывает, где некогда в раннем палеозое существовал предшественник современного Атлантического океана – так называемый Япетус, или Прото-Атлантический океан, разделявший континенты^[68]. Составлено по нескольким источникам

В среднем кембрии картина стала еще более загадочной. В Большом Бассейне на территории нынешнего штата Юта обитали знакомые формы, такие как Elrathia kingii, похожие на них Modocia, Asaphiscus, а также крошечный слепой трилобит Peronopsis (рис. 17.1B). Elrathia kingii – самые распространенные трилобиты: их продают магазины горных пород и торговцы по всему миру, поскольку в формации Сланец Уилер в ютском хребте Хаус их так много, что крупные коммерческие предприятия собирали их с помощью экскаваторов. Этих же среднекембрийских трилобитов можно было обнаружить от Юты до канадских Скалистых гор и районов западного Ньюфаундленда.

Но когда Уолкотт и другие палеонтологи собирали окаменелости в отложениях среднего кембрия в восточном Массачусетсе (недалеко от города Брейнтри – родины президентов Джона Адамса и Джона Куинси Адамса), Нью-Брансуике или восточном Ньюфаундленде, они обнаружили, что трилобиты в этих породах весьма отличались от трилобитов из соседних мест (например, запада штата Нью-Йорк и Пенсильвании). В этих ископаемых сообществах преобладали крупные трилобиты Paradoxides, длина которых составляла 37 см – крайне много по меркам кембрийских трилобитов (рис. 17.3). Имелись и какие-то одинаковые трилобиты, например, маленькие Peronopsis, но разница между двумя фаунистическими провинциями поистине поражала.

Рис. 17.3 Крупный среднекембрийский трилобит Paradoxides davidis из «атлантической провинции». Источник: Alamy / Legion Media

Однако, повторим, что действительно озадачивало, так это что трилобиты Нью-Брансуика, восточного Ньюфаундленда и восточного Массачусетса больше походили на европейских трилобитов, чем на организмы соседних Нью-Йорка или Пенсильвании. Еще в 1760-х гг. Карл Линней (1707–1778), создатель системы классификации растительного и животного мира, описал окаменелость из Швеции Entomolithus paradoxus, которая теперь называется Paradoxides paradoxissimus. Линней выбрал свое название не за алогичную биогеографию (которая стала известна гораздо позже), а по другой причине: в 1760-х гг. трилобиты представляли собой странные окаменелости, не вписывавшиеся ни в одну из существующих групп животных. (Другой трилобит получил название Agnostus^[69], потому что автор описания не знал, что это за животное.) Эффектный гигантский вид из ущелья реки Мануэлс на полуострове Авалон в Ньюфаундленде выглядел так же, как особь, обнаруженная в местечке Порт-и-Роу недалеко от города Сент-Дейвидс в графстве Пембрукшир (Уэльс), – отсюда и название Paradoxides davidis. Другие образцы были обнаружены и описаны во Франции, Германии, Чехии и Польше в начале 1800-х гг. Даже само название Paradoxides было европейским: его ввел французский палеонтолог Александр Броньяр в 1822 г. (Вместе с бароном Жоржем Кювье они, напомним, открыли фаунистическую последовательность во Франции – см. главу 7.)

Шли годы, коллекции разрастались, и другие палеонтологи со временем показали, что в период ордовика отличие «атлантической фауны» от «тихоокеанской» все еще было большим, и только в силуре между ними начало появляться некоторое сходство. Однако к девону различия полностью исчезли, и морские фауны Европы и Северной Америки стали весьма похожими.

В чем могла быть причина этого парадокса? Геологи и палеонтологи выдвигали множество идей, при этом большинство считало, что существовал какой-то глубокий и узкий океан (а также соответствующий осадочный бассейн), который не давал трилобитам из мелководья Нью-Йорка добраться до Массачусетса, а трилобитам из западного Ньюфаундленда – до восточного Ньюфаундленда. Предполагалось, что через некоторое время после образования в кембрии этого глубоководного желоба он становился все у́же и у́же и в конце концов исчез, так что к девону его уже не было и весь район оставался мелководным. Но эта гипотеза далеко не все объясняла. У трилобитов, вероятно, были плавающие личинки, которые могли перемещаться на большие расстояния или пользоваться поверхностными течениями. Почему же они не пересекали узкий глубоководный желоб, если явно могли плавать по всему мелководью, от нынешней Юты до Квебека или от Массачусетса до Шотландии? Более того, почему они не могли пересечь этот предположительный глубоководный барьер между восточным и западным Ньюфаундлендом или между Нью-Йорком и Массачусетсом, если они были способны преодолеть весь Атлантический океан и переместиться от Шотландии до западного Ньюфаундленда или от Массачусетса до Уэльса?

Загадка сохранялась почти целое столетие. Только в конце 1950-х гг. пионеры теории тектонических процессов предложили новое решение. Дальновидные геологи, такие как Артур Холмс (глава 8), сначала предположили, что все дело в движении плит, а не в каком-либо специфическом морском барьере. Эту мысль подхватил канадский геолог Джон Тузо Вильсон, который уже обосновал идею трансформных разломов, подобных разлому Сан-Андреас (см. главу 23), или образования Гавайских островов при перемещении Тихоокеанской плиты: когда она двигается над горячей точкой мантии, постепенно возникают новые извергающиеся вулканы.

В 1966 г. в ведущем научном журнале Science появилась историческая по значению статья Вильсона под названием «Океан закрывался и снова раскрывался?». Из опубликованных к тому моменту данных о спрединге океанского дна ученый знал, что современная Атлантика – молодой океан, который появился и начал расширяться только в позднем триасе (220 млн лет назад), то есть в начале эпохи динозавров. До этого, когда в пермском периоде и раннем триасе все континенты были единым материком Пангея, Атлантического океана не существовало. Однако наличие разных фаун трилобитов заставляло предположить, что когда-то (еще в кембрии и девоне) существовал некий предшественник современного Атлантического океана, который исчез, когда все части Пангеи соединились друг с другом. Вильсон утверждал, что линия, разделяющая «атлантическую» и «тихоокеанскую» фауны Уолкотта, в действительности представляет собой сутуру – шов между двумя континентами, которые в древности разделял канувший предшественник Атлантики. Этот давно исчезнувший океан иногда называли Прото-Атлантическим, а теперь именуют океаном Япетус. Когда океан закрылся в девоне и перми, а затем снова раскрылся, части того, что было на европейской стороне Япетуса (восточный Ньюфаундленд, восток Новой Англии и еще некоторые места), прилипли к западному берегу нового Атлантического океана, а районы, которые когда-то находились на североамериканской стороне Япетуса (Шотландия, северная Ирландия), присоединились к Европе (рис. 17.4). Раскрытие Атлантики разорвало земную кору приблизительно по старой линии Япетуса, оставив Шотландию по одну стороны плиты, а Массачусетс – по другую; при этом восточный Ньюфаундленд, некогда бывший частью Европы, присоединился к западному Ньюфаундленду, который всегда относился к Северной Америке. Эта гипотеза прекрасно объясняет парадокс Уолкотта.

Рис. 17.4 Палеогеографическая карта для силурийского и девонского периодов, показывающая коллизию (столкновение) Европы (Балтийская платформа) во время каледонской складчатости (силур) и девонскую коллизию террейна Авалония вдоль Аппалачей (акадская складчатость). Воспроизведено с изменениями из книги: Donald R. Prothero and Robert H. Dott Jr.

Evolution of the Earth. 8^th ed. [New York: McGraw-Hill, 2010]

Явление закрытия, а затем повторного раскрытия океана примерно в одном и том же месте теперь называют циклом Вильсона. Похоже, у Атлантического океана было не менее пяти предшественников, поэтому данный район пережил по крайней мере пять циклов Вильсона.

Затерянный континент Авалония

В легендах о короле Артуре описывается мифический остров Авалон, сыгравший в событиях ключевую роль. Там был выкован волшебный меч Экскалибур, который Артур получил от Владычицы озера. Когда в битве при реке Камлан Артур был смертельно ранен, сражаясь с Мордредом, именно на Авалон короля отвезли для исцеления. В некоторых вариантах сказания Артур умер и похоронен на Авалоне. Предполагается, что на этом острове жила и чародейка Моргана (иначе – Моргана ле Фэй).

Название Авалон происходит от валлийского Ynys Afallon – «остров яблок», и многие люди связывают это мифическое место с некоторыми районами Уэльса, которые действительно были далеки от Англии во времена артуровских легенд. В труде Гальфрида Монмутского «Жизнь Мерлина» таинственный остров Авалон описывается следующим образом:

Остров яблок, который люди называют Счастливым островом (Insula Pomorum quae Fortunata uocatur), получил свое имя потому, что все производит сам. Поля там не нуждаются в плугах земледельцев. Там не приходится возделывать землю; все дает природа. Он сам в изобилии рождает зерно и виноград, и яблони в его рощах поднимаются из короткой травы. Само по себе растет все, а не только трава, и люди живут там сто лет или больше. Там девять сестер благожелательно правят теми, кто приходит к ним из нашей страны.

Около 1190 г. получила популярность другая версия: хронист Гиральд Камбрийский сообщал, что артуровский Авалон – это область вокруг города Гластонбери графства Сомерсет в западной Англии. Монахи аббатства Гластонбери утверждали, что нашли тела короля Артура и его супруги Гвиневры. Гиральд писал:

То, что сейчас называется Гластонбери, в древние времена именовалось островом Авалон. Это практически остров, потому что его повсюду окружают болота. По-валлийски он называется Ynys Afallach, что означает Остров яблок, и некогда плоды эти росли в великом изобилии. После битвы при Камлане благородная леди по имени Морган, впоследствии правительница и покровительница этих краев, а также близкая родственница короля Артура, для лечения ран унесла его на остров, ныне известный как Гластонбери. Много лет назад этот район также назывался по-валлийски Ynys Gutrin, то есть Стеклянный остров, и от этих слов вторгшиеся саксы позже придумали топоним «Гластингебери».

Целые поколения британцев всерьез относились к этим преданиям, и в 1278 г. король Эдуард I Длинноногий (завоеватель Уэльса и Шотландии и тиран-злодей из фильма Мела Гибсона «Храброе сердце» об Уильяме Уоллесе) с пышными церемониями перезахоронил эти скелеты в аббатстве Гластонбери. Хотя в Средние века данная версия легенды о короле Артуре выглядела убедительно, сегодня она считается псевдоархеологией. Большинство современных историков воспринимают ее как рекламный ход монахов, затеянный ради получения средств на ремонт аббатства. Тем не менее эта легенда в течение многих веков побуждала паломников посещать аббатство Гластонбери – вплоть до Реформации, когда Генрих VIII порвал с католической церковью. Разные писатели впоследствии связывали историю Артура в Гластонбери с легендарным появлением Иосифа Аримафейского, привезшего в Англию святой Грааль. Были и такие авторы, что ассоциировали Авалон и Гластонбери с тайнами Земли – загадочными лей-линиями^[70] и даже с мифом об Атлантиде. Об Авалоне создано много преданий и написано немало современных произведений, включая такие книги, как «Туманы Авалона» (The Mists of Avalon), «Гластонберийский роман» (A Glastonbury Romance) Джона Каупера Повиса и «Кости Авалона» (The Bones of Avalon) Фила Рикмана.

Возможно, артуровский «остров Авалон» всего лишь легенда, чего не скажешь про древний затерянный континент Авалония. В последние годы модели тектоники плит, описывающие движение массивов суши по обе стороны современной Атлантики, стали более совершенными. Дальнейшие исследования разных провинций ископаемой фауны и детальное структурное картирование показали, что массив, содержащий фауну Paradoxides и простирающийся от южных Аппалачей до восточного Массачусетса и Нью-Брансуика, Новой Шотландии, восточного Ньюфаундленда, а также южная Англия, Уэльс, части Франции, Германии, Польши и Чехии – все они фрагменты древнего палеозойского микроконтинента, который назвали Авалонией (рис. 17.2, 17.4 и 17.5). Свое название микроконтинент получил не столько по мифическому острову Авалон, сколько по полуострову Авалон в Ньюфаундленде. Полуострову дал, в свою очередь, это имя сэр Джордж Калверт, получивший в 1632 г. королевскую хартию на владение землями в колониях^[71]; баронет назвал полуостров, как сам отмечал, «в подражание Старому Авалону в Сомерсете, где стоит Глассенбери, первый плод христианства в Британии, каким другой был в этой части Америки». Калверт явно верил в мифы об Артуре в Гластонбери, которые были в тот момент все еще широко распространены. И, хотя в то время, когда полуостров Авалон получил свое имя, об этом никто не знал, трилобиты из ущелья Мануэлс действительно связаны с трилобитами Уэльса, остальной части Англии (старого легендарного Авалона) и многих других частей Авалонии, ныне разбросанных от восточной Европы до Канады и Джорджии. И закономерно, что один из трилобитов Уэльса и западной Англии получил название Merlinia – в честь волшебника Мерлина из артуровского цикла.

Рис. 17.5 Карта частей террейна Авалония после того, как каледонская и акадская складчатости соединили его с Северной Америкой (Лаврентия) и Балтикой. Позднее в каменноугольном периоде присоединился блок Арморика (лежащий сегодня под Северной Европой), образовав офиолиты в Девоне и Корнуолле, а также каменноугольные граниты в этих регионах. Составлено по нескольким источникам

Так что же случилось с Авалонией? В кембрии и раннем ордовике она отделилась от Гондваны, и трилобиты Авалонии имеют много общего с трилобитами этого громадного южного суперконтинента. Но по мере того, как Авалония отодвигалась от одного континента, она быстро приближалась к другому – предшественнику Северной Америки (названному Лаврентией). К позднему силуру это ядро Европы (Балтийская платформа, включая Скандинавию и Россию) начало давить на Лаврентию; произошедшее столкновение (коллизия) двух континентальных плит (подобное тому, как Индостанская плита сейчас врезается в Евразийскую и образует Гималаи) подняло горы высотой с современные Гималаи. Ту эру тектогенеза называют каледонской складчатостью (Каледония – латинское название Шотландии), и ее следы можно увидеть в смятых и метаморфизованных породах Шотландии, северного побережья Гренландии и побережья Норвегии (рис. 17.5). Образовавшиеся при разрушении каледонских гор речные пески стали материалом для части девонского древнего красного песчаника, залегающего поверх силурийских пород, опрокинутых и эродированных в результате коллизии, что создало знаменитые угловые несогласия на мысе Сиккар-Пойнт и в Джедборо (глава 4).

В девонском периоде, после каледонской коллизии, Авалония начала врезаться в восточное побережье Лаврентии. Это столкновение происходило последовательно с севера на юг (рис. 17.5), порождая в эпоху так называемой акадской складчатости еще один хребет размером с Гималаи. Осадочный материал с этого огромного горного массива сносился к западу, образовав девонские песчаники и сланцы знаменитой осадочной толщи Катскилл в северной части штата Нью-Йорк и в центральной части западной Пенсильвании.

И под конец еще о связи с одной легендой: акадская складчатость получила свое название от старой французской провинции Акадия, которая некогда включала почти всю приморскую Канаду, части Квебека и Мэна, – а также полуостров Авалон. Те, кто знаком с американской литературой, могут знать название Акадия по поэме «Эванджелина» Генри Уодсворта Лонгфелло. В ней рассказывается, как британцы вытеснили франкоканадцев Акадии из большей части региона. Некоторые из отступавших оказались на юге Луизианы, где эти французские «канадцы» стали «каджунами» – чье культурное влияние ощущается до сих пор.

Экзотические террейны

Столкновение террейна Авалония с Лаврентией – хорошо документированный пример так называемого экзотического террейна, то есть массива земной коры, который прибыл из какого-то другого места. Весь регион Аппалачей построен из кусков других континентов, в разное время присоединившихся к Лаврентии. Сначала с ней столкнулся блок земной коры, известный как Пидмонтский террейн, который можно найти в некоторых частях восточной Канады, долине Гудзона в Нью-Йорке и вплоть до предгорного плато Пидмонт в Вирджинии, Джорджии и обеих Каролин (рис. 17.2). Он причленился в позднем ордовике в ходе события, известного как таконская складчатость: при этом поднялись и деформировались породы современного хребта Таконик в штате Нью-Йорк.

Затем произошло столкновение с Балтикой, сформировавшее каледонскую складчатость в позднем силуре (и повлиявшее на северное побережье Лаврентии), за которым последовала акадская складчатость в девоне, которая добавила террейн Авалония – от приморской Канады через восточный Массачусетс вниз до Сланцевого пояса Каролины на юге. В заключение произошло столкновение африканской части Гондваны с Восточным побережьем, в результате чего в позднем карбоне (пенсильвании) возникли Аппалачи. Это событие также окончательно закрыло предшественников Атлантического океана и соединило Лаврентию (или Северную Америку) с суперконтинентом Пангея. Аппалачи образовались в результате этого мощного столкновения в гималайском стиле более 300 млн лет назад, и с тех пор они медленно разрушаются.

Если вас недостаточно потрясло то, что восточный Массачусетс или восточная Каролина были частями других континентов, то еще удивительнее оказывается набор экзотических террейнов, составляющих тихоокеанское побережье Северной Америки. Вся Аляска и бо́льшая часть Британской Колумбии, Вашингтона, Орегона, Айдахо, Невады и Калифорнии – экзотические террейны (рис. 17.6). И снова об этом свидетельствуют окаменелости. Многие десятилетия геологов и палеонтологов озадачивали некоторые находки с тихоокеанского побережья – от кораллов, попадавшихся в северной Калифорнии и Британской Колумбии, до имеющих форму рисовых зерен одноклеточных амеб, известных как фузулиниды (отряд фораминифер), которые встречаются повсюду от Аляски до северной Калифорнии. Когда ученые тщательно исследовали эти окаменелости, стало ясно, что они прибыли из тропиков Южного полушария – причем с другой стороны Тихого океана, из древнего океана Тетис, простиравшегося от современной Индонезии до Гибралтара!

Рис. 17.6 Карта экзотических террейнов Тихоокеанской окраины Северной Америки. Составлено по нескольким источникам

Сначала геологи и палеонтологи отказывались принять идею, согласно которой огромные блоки земной коры за последние 250 млн лет пересекли весь Тихий океан, проделав путь от Индонезии до Британской Колумбии, но факты ясно говорят именно об этом. То же самое подтверждают не только окаменелости, но и тектонические свидетельства: Аляска, Британская Колумбия и большинство штатов Тихоокеанского побережья составлены из тектонических блоков, разделенных крупными разломами. Наконец, это подтверждают палеомагнитные данные, которые показали, что тектонические блоки действительно прибыли из области южнее экватора и, по-видимому, оттуда, где сейчас находится Индонезия.

Сегодня мы можем реконструировать, откуда взялись все эти части пазла, и сравнить их с тем, где они находятся ныне (рис. 17.7). Одним из первых при антлерской складчатости (в девоне – миссисипии) появился блок (Антлерский террейн), который проходит через всю центральную Неваду и включает породы, найденные в западных предгорьях Сьерра-Невады и на восточной стороне хребта Кламат возле горы Шаста. Следующим крупным блоком стал террейн Сономия в ходе сономской складчатости (пермь – триас). Он составляет весь северо-западный угол Невады, а также другие блоки в предгорьях Сьерры и в хребте Кламат, вдавленные под те массивы, что прибыли при антлерской складчатости. Не отставали и многие другие террейны, в том числе Стикиния и Квеснеллия, которые составляют ядро Британской Колумбии и простираются до Аляски, и Врангеллия, которая включает горы Врангеля на Аляске (а также самую высокую гору США – Денали, или Мак-Кинли^[72]), северо-запад Британской Колумбии и юго-восточную Аляску («ручку Аляски»). Большинство блоков прибыли в эпоху динозавров и оказались на месте к меловому периоду, принеся с собой пермские окаменелости из тропической юго-западной части Тихого океана.

Рис. 17.7 Карта, показывающая первоначальное расположение экзотических террейнов в Прото-Тихоокеанском бассейне. Все они в свое время испытали коллизию и смятие, став Аляской, Британской Колумбией и прибрежными регионами Вашингтона, Орегона и Калифорнии. Во время пермского периода многие из них (такие как террейн Врангеллия и террейн Александра) начинали движение из той области, которая теперь представляет собой юго-западную часть современного Тихого океана: это можно определить по характерным окаменелостям из океана Тетис, которые они несут. Взято с изменениями из книги: Donald R. Prothero and Robert H. Dott Jr. Evolution of the Earth. 8^th ed. [New York: McGraw-Hill, 2010]

Так что в следующий раз, когда вы будете на Аляске, в Британской Колумбии, Вашингтоне, Орегоне, Неваде или Калифорнии, просто помните: вы не в Северной Америке. На самом деле вы на Фиджи или в Индонезии.

18. Альфред Вегенер и дрейф материков
Породы, ставшие деталями пазла

Новая теория виновна, пока не доказали ее невиновность, в то время как старая невиновна, пока не доказали ее виновность… Теория дрейфа материков была виновной, пока не доказали ее невиновность.

Дэвид Рауп, палеонтолог

Презираемый и отверженный…

Рождество 1910 г. Тридцатилетний немецкий метеоролог Альфред Вегенер (рис. 18.1) рассматривал атлас мира – рождественский подарок одному из его друзей. Перелистывая страницы, он заметил удивительное совпадение береговых линий Южной Америки и Африки. В голове словно вспыхнула лампочка. Почему два континента, разделенные южной частью Атлантического океана, так хорошо подходили по очертаниям друг другу? Конечно, Вегенер был не первым, кто заметил это совпадение. По тому же поводу высказывались уже в XVI в., когда появились первые приличные карты Атлантики.

Рис. 18.1 Альфред Вегенер в своей последней арктической экспедиции, 1930 г. Источник: Wikimedia Сommons

Сам Вегенер писал об этом так:

Впервые идея дрейфа континентов пришла мне в голову еще в 1910 г., когда я рассматривал карту мира, – на меня произвело впечатление совпадение береговых линий по обе стороны Атлантики. Сначала я не обратил особого внимания на это, потому что считал дрейф маловероятным. Осенью 1911 г. я случайно наткнулся на синоптический отчет, из которого впервые узнал о палеонтологических доказательствах существования в прошлом сухопутного моста между Бразилией и Африкой. Я мельком ознакомился с соответствующими исследованиями в области геологии и палеонтологии, и это немедленно дало такое весомое подкрепление, что убеждение в принципиальной правильности идеи укоренилось в моем сознании.

Итак, на протяжении четырех веков люди замечали это совпадение, но потом занимались другими вещами. С Вегенером было по-другому. Он успешно продвигался в науке, обладая многолетним опытом работы в области метеорологии и климатологии. В том же 1911 г. написал по этой теме монографию «Термодинамика атмосферы», так что он хорошо знал свое дело. Его нельзя было назвать неопытным новичком: в 26 лет он как метеоролог участвовал в своей первой экспедиции в Гренландию для изучения полярного климата и погоды.

Несмотря на то что много времени уходило на метеорологические и полярные исследования и преподавание в Марбургском университете, Вегенер продолжал искать доказательства того, что материки некогда составляли единое целое. Еще в 1908 г. он начал работать с легендарным климатологом Владимиром Кёппеном, который создал стандартную классификацию климатических регионов и зон, применяемую до сих пор. (Я каждый год рассказываю о ней на своих лекциях по метеорологии.) Вегенер и Кёппен изучили научную литературу и обнаружили, что климатические зоны пермского периода (250–300 млн лет) не имеют никакого смысла при современном распределении их по континентам. Исследователи искали доказательства того, что породы, зависящие от климата, служат в пользу их гипотезы: континенты ранее перемещались. К 1912 г. Вегенер прочитал несколько лекций, где приводил подтверждение дрейфа континентов, а затем опубликовал три короткие статьи с этими аргументами в немецких географических журналах. В 1913 г. Вегенер женился на дочери Кёппена, а до этого принял участие во второй экспедиции в Гренландию, где перезимовал во льдах и затем едва не погиб вместе со своими спутниками, пересекая остров.

28 июня 1914 г. убили эрцгерцога Франца Фердинанда, и вскоре разразилась Первая мировая война. Как и всех трудоспособных мужчин в Германии того времени, Вегенера призвали в кайзеровскую армию. Он был дважды ранен (один раз в шею), прежде чем германское верховное командование решило, что в качестве опытного метеоролога он будет полезнее, нежели в качестве пушечного мяса в траншеях. Работая на разных немецких метеостанциях, он продолжал документировать свои гипотезы. В конце 1915 г. вышла книга «Происхождение континентов и океанов» (Die Entstehung der Kontinente und Ozeane), однако в условиях военных ограничений ее мало кто читал и даже видел. В этом труде Вегенер поместил первые карты (рис. 18.2), показывающие, как континенты переместились после пермского периода (250 млн лет назад), и отметил их расположение в суперконтиненте Пангея, южную половину которого называют Гондваной, а северную – Лавразией (от «Лаврентия» и «Евразия»). Оказалось, что, несмотря на служебные обязанности, должность армейского метеоролога – хорошее место для ученого; до конца войны он опубликовал еще 20 статей по метеорологии и климатологии.

Рис. 18.2 Карта Вегенера 1915 г., показывающая движение материков. Из книги «Die Enstehung der Kontinente und Ozeane», 1915

После окончания войны Вегенер сменил несколько мест работы в Гамбурге, а затем получил постоянную должность в Грацском университете. Он использовал это время, чтобы совместно с Кёппеном написать книгу о климате в геологическом прошлом, основываясь на доказательствах, которые изначально собирал для подтверждения своих суждений о дрейфе континентов. И все же за пределами Германии Вегенера практически не знали – главным образом из-за того, что его труды до 1925 г. не переводились на английский язык.

После 14 лет игнорирования Вегенера пригласили изложить его концепцию на собрании Американской ассоциации геологов-нефтяников в Нью-Йорке в 1926 г. Этот симпозиум организовали противники ученого, намереваясь высмеять его идеи, и Вегенер шел в логово льва. Только приглашавший его председатель ассоциации выслушал выступление беспристрастно; остальная аудитория отнеслась к докладчику с пренебрежением и насмешками. Если исходить из геологических знаний того времени, идеи Вегенера выглядели бредовыми.

Почему же к ученому и его теориям не относились всерьез? Прежде всего, Вегенер был не геологом, а метеорологом и климатологом. Если посторонний человек без полноценного образования вторгается в вашу сферу, у вас будут определенные основания относиться к нему скептически. Я постоянно сталкиваюсь в интернете с безумными версиями, касающимися Земли. Там есть сторонники плоской Земли, геоцентристы, поборники теории полой Земли, приверженцы младоземельного креационизма^[73] и те, кто верит, что Земля расширяется. Любой, кто прослушал базовый курс геологии, легко поймет, почему эти люди ошибаются, и особенно очевидно это для тех геологов, которые имеют реальный полевой опыт, а не просто занимаются измышлениями, основанными на вторичных источниках.

У идей Вегенера были изъяны. Он утверждал, что континенты перемещались по планете, однако геологи выдвигали такое возражение: в этом случае материки «вспахивали» бы океаническую кору, а потому должны существовать огромные участки такой коры, смятой, как ковер. (Сейчас мы знаем, что океаническая кора совсем не похожа на представления специалистов того времени и что обычно она уходит под континенты в зонах субдукции, а не сминается в горные пояса.) Кроме того, Вегенер не мог объяснить, каким образом континенты перемещались и что приводило их в движение: предлагаемые им аргументы (например, центробежная сила) были невозможны по геофизическим законам. Да и скорость движения плит у Вегенера оказывалась слишком велика (250 см в год), тогда как теперь известно, что большинство плит дрейфуют в сто раз медленнее (2,5 см в год). Справедливости ради нужно отметить, что когда он около 1915 г. предположил указанную выше величину, процесс определения геохронологической шкалы только начинался, и потому никто не знал границ пермского периода, во время которого существовала единая Пангея.

Наконец, как мы увидим далее в этой главе, самые убедительные подтверждения его теории относятся к ситуации в Южном полушарии. Однако почти все геологи того времени жили и работали в Северной Америке и Европе, и лишь немногие приехали из менее развитых стран. В начале ХХ в. поездка на лайнере до Бразилии или Южной Африки была делом очень долгим и дорогостоящим, поэтому мало кто из геологов действительно бывал в этих регионах и видел там местные горные породы своими глазами. Большинство специалистов ограничивались чтением описаний в журналах и книгах и просмотром нескольких тусклых черно-белых фотографий, которые не передавали ярких цветов и поразительного сходства горных пород в Южном полушарии. Самыми большими сторонниками дрейфа континентов стали геологи, лично повидавшие то, что изображено на снимках (например, южноафриканец Александр дю Туа), однако взгляды таких иностранцев редко озвучивались на специализированных форумах их североамериканских или европейских коллег. Один из немногих европейских приверженцев тектонической теории Артур Холмс (глава 8) работал в Африке, поэтому он тоже знал многие породы не понаслышке. Таким образом, вся идея дрейфа континентов еще 30–40 лет оставалась для научного сообщества из разряда безумных.

Между тем Вегенер не отсиживался и не хандрил из-за негативного восприятия его выдающихся гипотез. Он продолжил свои полярные метеорологические исследования и в 1929 г. возглавил третью экспедицию в Гренландию, ставшую для него последней. В 1930 г. его группа взяла с собой массу различного метеорологического оборудования, а также аэросани и другое снаряжение. В центре ледяного щита Гренландии была организована станция Айсмитте (Eismitte), в переводе с немецкого «середина льда». Данное место – одно из самых холодных в Северном полушарии. В среднем за год здесь –30 ℃, а зимой температура опускается до –62 ℃. Вследствие расположения вблизи Полярного круга Айсмитте не видит солнца с 23 ноября по 20 января. Снабжать станцию припасами было трудно и опасно из-за ее удаленности.

В ноябре 1930 г. Вегенер и другой полярник Расмус Виллумсен в стужу и сильнейшую метель возвращались с Айсмитте на западную базу. В этом походе Вегенер умер, возможно, от сердечного приступа (он был заядлым курильщиком) или от переохлаждения. Виллумсен похоронил товарища в снегу, отметив могилу лыжами, и продолжил двигаться на запад, однако больше его никто не видел. Могилу Вегенера нашли через полгода. Тело перезахоронили, поставив на могиле крест, и оно все еще покоится под стометровым слоем накопившегося снега и льда, двигаясь вместе со льдами Гренландского щита. Вегенер умер вскоре после своего пятидесятилетия, но геологическое сообщество не заметило этого и не оплакало ученого. Проживи немецкий метеоролог еще три десятка лет, он мог бы стать свидетелем подтверждения своих идей, но удача и судьба оказались не на его стороне. Он стал очередным примером гения, преданного своей великой идее, который умер презираемым и недооцененным, так и не дожив до того, чтобы увидеть, как его работа превратилась из безумной в общепринятую научную теорию^[74].

Фрагмент головоломки № 1: Совпадающие, как детали пазла, породы

Какие факты убедили Вегенера и многих геологов, представителей Южного полушария? Существовали две основные линии доказательств: горные породы пермского периода и древние докембрийские подстилающие породы под большей частью южных континентов.

Одно из наиболее впечатляющих доказательств представляют собой древние коренные породы континентов, составлявших суперконтинент Гондвана, – Южной Америки, Африки, Австралии, Индии и Антарктиды (рис. 18.3). Уберите покров из растительности и более молодых пород, и вы доберетесь до покровов, лежащих в основе материка. Он состоит из древних протоконтинентов архея. Они накрепко прижаты друг к другу, а между ними втиснуты породы протерозойского горного пояса, образовавшиеся на их краях до того, как протоконтиненты столкнулись друг с другом. Каждый континент обладает определенной комбинацией этих материалов архейских протоконтинентальных ядер, а раздавленные между ними протерозойские породы выполняют объединяющую функцию.

Рис. 18.3 Совпадение деталей пазла для докембрийских коренных пород Африки и Южной Америки. Оба континента начинались как небольшие протоконтиненты, состоящие из архейской коры (возрастом более 2,5 млрд лет), которые соединились друг с другом, образовав из попавших между ними горных пород протерозойские горные пояса. Ныне эти формации разделились, поэтому архейские ядра и протерозойские горные пояса встречаются по обе стороны Атлантики, а их структуры подходят друг к другу, как кусочки пазла. Составлено по нескольким источникам

В подстилающих породах Южной Америки и Африки поражает то, что эти древние структуры резко обрублены Атлантическим океаном. Однако стоит сопоставить Южную Америку и Африку, как архейские ядра совпадают, словно детали пазла, – и так же совпадают протерозойские пояса, зажатые между ними.

Невозможно отмахнуться от такого удивительного соответствия. И все же в течение 40 лет геологи именно этим и занимались, либо настаивая на чистой случайности, либо утверждая, что коренные породы вовсе не так похожи, как говорят, либо попросту игнорируя факты.

Фрагмент головоломки № 2: Климатические пояса не в том месте

Если вы отправитесь в Южную Африку, Бразилию, Антарктиду, Индию или Австралию, то увидите поразительно сходные последовательности пород. Они включают в себя характерную толщу каменноугольных песчаников с угольными пластами, за которой следует ледниковый тилл нижнего и среднего пермских периодов, перекрытый мощной подушкой пермско-триасовых красных пластов, набитых окаменелостями рептилий и протомлекопитающих, и, наконец, масштабные юрские лавы, венчающие все это природное сооружение. Я слышал, как некоторые геологи отмечали: если не читать названия формаций или не слышать, на каком языке (африкаанс или португальском) говорят местные коллеги, вы не сможете сказать, где находитесь – в Южной Африке либо в Бразилии.

Рис. 18.4 Климатические пояса пермского периода (ледники на полюсах, угольные болота во влажных тропических лесах, песчаные дюны в субтропических зонах высокого давления) имеют объяснение только при конфигурации континентов в виде Пангеи. В районах их современного расположения эти отложения выглядят совершенно неуместно. Составлено по нескольким источникам

Еще более показательно местоположение этих характерных отложений (рис. 18.4). Угольные залежи пермского периода, которые должны находиться только в поясе экваториальных дождевых лесов, сегодня обнаруживаются далеко за пределами этого региона. Аналогично пермские отложения пустынных дюн не ограничиваются субтропическими поясами высокого давления между 10 и 40° к северу и югу от экватора, как в пустынях современного мира. Но если вернуть континенты из современного положения в конфигурацию Пангеи, то все пермские угольные пласты оказываются в поясе влажных тропических лесов, а все пермские дюнные пески – в субтропическом поясе высокого давления, как и положено.

Больше всего впечатляют мощные ледниковые отложения, обнаруженные на многих континентах Гондваны, – например, тиллит Двика в Южной Африке (рис. 18.6) и его эквиваленты на других материках, включая Южную Америку, Индийский субконтинент, Австралию и Антарктиду. Они обретают смысл только при допущении местоположения этих массивов в пермском периоде в составе Гондваны. Если бы вы попытались изобразить распределение этих ледяных щитов на современных континентах, то получили бы пермский ледяной щит, который охватывает всю Южную Атлантику и бо́льшую часть Индийского океана и простирается через экватор до некоторых частей Индии. С точки зрения палеоклиматологии это явно нелогично.

Рис. 18.5 Карта, показывающая области оледенения Гондваны в пермский период (белый цвет) и выстраивание ледниковых шрамов между юго-западной частью Африки и Бразилией. Составлено по нескольким источникам

Еще более примечательными были шрамы и борозды, образовавшиеся, когда ледники перетаскивали по ландшафту огромные камни (рис. 18.5). В некоторых случаях борозды начинаются в Южной Африке и прослеживаются вдоль той же линии уже в Южной Америке. Если бы это происходило при современном расположении континентов, пермские ледники должны были бы спрыгнуть в Атлантический океан, пересечь его по прямой и выбраться на сушу, сохранив взятое направление. Это тоже абсурдно. Такие совпадающие борозды могли появиться только в том случае, если в пермском периоде материки находились в пределах Гондваны и ледникам не требовалось пересекать Атлантический океан.

Кроме этих свидетельств, полученных при исследовании гондванских пород позднего палеозоя и раннего мезозоя, есть еще более показательные данные окаменелостей. Почти все пермские отложения в Гондване, включая Антарктиду, Австралию и Мадагаскар, содержат листья примитивного вымершего семенного папоротника глоссоптериса (Glossopteris) (рис. 18.6). Есть также полуметровое пресмыкающееся мезозавр (Mesosaurus), которое попадалось только на дне озер в Южной Африке и Бразилии, – оно слишком мало, чтобы переплыть современную Южную Атлантику. Почти на каждом континенте Гондваны обнаружены окаменелости листрозавра (Lystrosaurus) – маленького млекопитающего с носом, похожим на клюв (ранее его неправильно называли «звероподобной рептилией»). Он уже был известен в Африке, Южной Америке, Индии, а обнаружение его в Антарктиде в 1969 г. некоторые ученые сочли решающим доказательством дрейфа континентов. Наконец, упомянем о хищном, размером с медведя, протомлекопитающем циногнате (Cynognathus), который в поздней перми встречается не только в Южной Африке и Южной Америке, но и в России.

Рис. 18.6 Карта, показывающая распространение в Гондване пермского семенного папоротника глоссоптериса (Glossopteris), населявшего озера небольшого пресмыкающегося мезозавра (Mesosaurus), травоядного млекопитающего листрозавра (Lystrosaurus) и крупного хищного протомлекопитающего циногната (Cynognathus). Составлено по нескольким источникам

Все эти аргументы выглядели убедительными для таких геологов, как дю Туа и Холмс, но скептически настроенные коллеги Северного полушария пытались их отвергнуть или игнорировать. Широкое распространение одинаковых растений и животных по материкам Гондваны приписывалось сухопутным мостам или возможности пересечь океан на природных плотах. Совпадений в самих породах либо не замечали (потому что на крошечных черно-белых фотографиях в журнале они были не столь убедительны), либо не воспринимали, считая их не относящимися прямо к делу. Практически все доказательства, которые сегодня кажутся неопровержимыми, ученые не принимали в расчет со времени публикации книги Вегенера в 1915 г. и вплоть до начала 1960-х – почти 50 лет ужасающей слепоты со стороны большинства геологов мира.

Самые влиятельные американские и европейские геологи конца 1940-х – начала 1950-х гг. считали, повторю, теорию дрейфа континентов совершенно бредовой. Известный биолог и режиссер-документалист Дэвид Аттенборо, поступивший в университет в конце 1940-х, вспоминал: «Как-то я спросил одного из своих преподавателей, почему он не рассказывает нам о дрейфе континентов, и получил издевательский ответ, что если я смогу доказать, что существует сила, которая способна двигать материки, то он, может быть, и подумает об этом. Меня проинформировали, что это вздор». В 1949 г. Американский музей естественной истории провел симпозиум, на котором участники критиковали доказательства дрейфа, говорили о сухопутных мостах и отвергали сходство между породами на разных континентах (хотя большинство тех, кто это делал, воочию такие породы не видел). Материалы симпозиума опубликовали только три года спустя, и теперь, по прошествии времени, можно сказать, что он стал удивительным памятником близорукости, как раз когда мир стоял на пороге перемен.

Решение в океанских глубинах

Тем временем доказательства поступили совсем с новой стороны, а именно с морского дна. Помните, как геологи отвергали аргументы Вегенера, заявляя, что донные породы океана должны были сминаться перед дрейфующими континентами, точно снег перед снегоочистителем? Оказалось, что это возражение совершенно неверно, потому что о земной коре под океанами никто ничего толком не знал.

Действительно, до Второй мировой войны о водных пучинах почти ничего не было известно. Океаны составляют около 71 % земной поверхности, но вплоть до послевоенного периода наше знание по данному предмету лишь ненамного увеличилось. Важность подводной войны показала военным флотам всего мира, что в глубинах океана нужно по-настоящему разбираться. После окончания войны большинство государств сократили оборонные расходы, однако США и еще некоторые страны начали вкладывать средства в океанографические институты, чтобы ликвидировать давнее слепое пятно в человеческих знаниях. В эти учреждения направлялись не только финансы, но и списанные военные корабли, которые не отправляли на металлолом, а перепрофилировали в исследовательские суда.

К концу 1940-х – началу 1950-х гг. основные океанографические центры (Институт Скриппса в Сан-Диего, Вудс-Хоул в штате Массачусетс, Ламонт-Доэрти в штате Нью-Йорк и другие) располагали судами, которые круглогодично курсировали по всему миру, собирая данные о температуре, солености, плотности и химическом составе океанской воды, о глубинах дна и характере пород и отложений под океаном. Корабли спускали с борта длинные трубки – поршневые пробоотборники и захватывали десятиметровые керны отложений, отражающие миллионы лет истории океана; они буксировали похожие на торпеды протонные прецессионные магнитометры (когда-то использовавшиеся для охоты на подводные лодки) и измеряли магнитные свойства пород океанского дна.

В течение 1950-х и 1960-х гг. океанографические исследования справились со множеством загадок крупнейших водоемов мира. Мари Тарп и Брюс Хейзен (рис. 22.1) из Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти Колумбийского университета (ныне Обсерватория Земли Ламонт-Доэрти) составили первую карту океанского дна. В ходе этой работы Тарп зафиксировала наличие гигантской рифтовой долины посреди срединно-океанического хребта, и это стало для нее доказательством, что плиты расходятся (см. главу 21). Детальные исследования, проведенные многими научными экипажами, не только показали глубины океанического бассейна по всему миру, но и установили, что лежит под поверхностью дна. Керны глубоководных отложений позволили понять, как океаны менялись со временем, как трансформировался климат во всем мире, а также раскрыли причины ледниковых периодов (глава 25). Но главное, магнитометры, буксируемые за кораблями, выявили своеобразную структуру намагниченной породы, что в конечном итоге в 1963 г. подтвердило реальность спрединга – раздвигания морского дна. После этого революционного открытия тектоника плит набрала ход и изменила все науки о Земле.

Вегенер, как уже говорилось, не дожил до этого события – оно произошло через 33 года после его смерти; однако многие его критики еще оставались в живых. Одни (особенно геологи-нефтяники старой гвардии) отказались принять тектонику плит и в конце концов ушли со сцены или прекратили исследования. Другие (например, организаторы печально известного симпозиума, проведенного Американским музеем естественной истории в 1949 г.) неохотно признали свою неправоту. Некоторые из них приняли новую модель: так, легендарный стратиграф Колумбийского университета Маршалл Кей, обнаружив, что труды всей его жизни устарели, с энтузиазмом начал пересматривать свой опыт в свете тектонической теории, несмотря на то, что ему было за шестьдесят. В конце концов Вегенер посмертно обрел почести и признание за то, что столь далеко опередил свое время, – пророк, который в итоге оказался прав.

19. Западное внутреннее море и парниковая планета
Мел

И взлетят наутро

У Белых скал Дувра

Завтра птицы синие…

Нат Бертон. Белые скалы Дувра

Белые скалы Дувра

Когда вы плывете через пролив Ла-Манш из восточной Франции или из Бельгии в юго-восточную Англию, то прежде всего видите на горизонте легендарные Белые скалы (рис. 19.1). Они символизируют Англию как остров-крепость и будто олицетворяют крепостные стены и бастионы, противостоящие завоевателям с континента. Впрочем, какими бы внушительными преграды ни казались, захватчики всегда находили способ их обойти. Армии Вильгельма Завоевателя высадились в заливе Певенси, прошли между скалами вглубь страны и завладели Англией после битвы при Гастингсе в 1066 г. Как бы то ни было, Белые скалы были желанным зрелищем для британских войск, эвакуировавшихся из песков Дюнкерка в 1940 г., или для союзнических экипажей бомбардировщиков, пытавшихся вернуть домой свои искалеченные самолеты. Во время Битвы за Британию эти утесы служили стратегическими высотами для наблюдателей, сообщавших о показавшихся немецких самолетах; на них также размещали секретные радиолокационные вышки, которые позволяли британцам заранее узнать о приближающихся бомбардировщиках. Они стали сентиментальным образом Англии – как, например, в песне времен Второй мировой войны «Белые скалы Дувра», которая ностальгически переносила тоскующих по дому солдат с полей сражений в Европе к мирной жизни в Англии. По результатам голосования читателей журнала Radio Times скалы Дувра заняли третье место в списке чудес природы в Великобритании. По одной из версий, старое римское название Англии – Альбион – происходит от латинского слова albus, означающего «белый», и, возможно, относилось к меловым утесам, которые приходилось обходить римским захватчикам.

Рис. 19.1 Белые скалы Дувра. (А) Вид с пролива Па-де-Кале. (В) Вид с самой высокой точки – мыса Бичи-Хед. Источник: Wikimedia Сommons

Что такое мел?

Своим цветом Белые скалы обязаны слагающей их породе – мелу. Когда большинство людей слышат слово «мел», им представляются брусочки из белого порошкообразного материала, которыми многие поколения школьников писали на классных досках. Хотя когда-то для этого использовался настоящий мел, большинство современных школьных «мелков» состоят вовсе не из мела, а из порошкообразного гипса, спрессованного в палочки.

Настоящий мел – это мягкий белый пористый известняк, сложенный минералом кальцитом (его состав – карбонат кальция, CaCO₃). Он образуется в глубоководных условиях в результате постепенного накопления мельчайших кальцитовых раковин (кокколитов), которые выделяются микроскопическими водорослями кокколитофоридами (рис. 19.2). Распространены включения кремня (тип кремнистой породы, характерный для мела) – в виде полос, параллельных напластованию, или желваков, погруженных в мел (рис. 19.3). Вероятно, его происхождение связано со спикулами губок^[75] или других кремнийсодержащих организмов, когда при уплотнении породы вода отгонялась вверх. Часто кремень откладывается вокруг более крупных окаменелостей, которые могут подвергаться силицификации, или окремнению (тогда молекулы кальцита постепенно заменяются кремнеземом).

Рис. 19.2 Мел состоит из крохотных известковых водорослей – кокколитофорид, которые образуют вокруг себя известковые пластинки в форме пуговиц – кокколиты, диаметром всего несколько микронов. Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 19.3 В меле нередко встречается черный кремень. Фото автора

Эта сложенная преимущественно мелом толща юго-восточной Англии богата окаменелостями, которые можно найти здесь на многих пляжах. Там есть морские ежи обычные и сердцевидные, которых усиленно изучали палеонтологи, написавшие о них массу работ, а также множество моллюсков и устриц – особенно причудливо изогнутых устриц Gryphaea и Exogyra, которых ученые тоже активно исследовали. В этих породах изредка обнаруживают плохо сохранившихся аммонитов, а еще зубы акул и окаменелости разных рыб.

Мел как порода более устойчив к выветриванию и образованию оползней, нежели глины, с которыми он обычно связан, и поэтому там, где меловые хребты встречаются с морем, образуются высокие обрывистые утесы. Меловые холмы («меловой даунленд») обычно формируются там, где пласты мела достигают поверхности под углом, образуя крутые склоны. Поскольку в меле много трещин, он может удерживать большой объем грунтовых вод: создается естественный резервуар, который медленно высвобождает воду в сухое время года.

Обнажения мела есть не только в юго-восточной Англии. Сложенный главным образом из этой породы пояс проходит через Па-де-Кале до Алебастрового берега в Нормандии и мыса Блан-Не. Под областью Шампань во Франции находятся меловые отложения; они определяют состав почв для выращивания винограда, из которого производят шампанское, и предоставляют природные пещеры для хранения вина. Эта меловая в основном толща простирается далее на восток через Бельгию и страны, расположенные от нее к северо-востоку, включая национальный парк Ясмунд в Германии и скалы Мёнс Клинт в Дании. Мел был настолько заметным и распространенным элементом на значительной части Европы, что в 1822 г. бельгийский геолог Жан Батист Жюльен Д'Омалиус Д'Аллуа назвал в его честь последний период мезозоя.

Мелкие моря парникового мира Мелового периода

90 млн лет назад то, что сейчас является «меловым даунлендом», холмистой равниной Северной Европы, представляло собой влажный известковый ил, скапливающийся на дне большого моря. Мел стал одной из первых пород с субмикроскопическими частицами, попавших под электронный микроскоп; оказалось, что он почти полностью состоит из кокколитов. Эти раковины были образованы кальцитом, извлеченным из морской воды. По мере умирания организмов за миллионы лет постепенно сформировался значительный слой, который под тяжестью других отложений в конечном итоге превратился в горную породу. Более поздние перемещения земной коры, связанные с возникновением Альп, подняли эти былые донные отложения выше уровня моря.

Мел также представляет собой продукт гораздо более масштабного явления – глобального парникового мира позднемеловой эпохи. Во второй половине эпохи динозавров климат был настолько теплым, что эти животные бродили за Полярным кругом в Арктике и в Антарктике. Льдов и снега в то время практически нигде не было, и уровень двуокиси углерода в атмосфере составлял около 2000 частей на миллион (сегодня эта величина превышает 400 частей на миллион и продолжает увеличиваться). Таяние всех этих ледяных шапок привело к значительному повышению уровня океана, и на месте суши появились мелководья. Такие богатые мелом неглубокие моря затопили большую часть Европы, о чем и свидетельствует распространенность мела не только в Англии, но также в Бельгии и Франции. Повышение уровня моря привело к затоплению и Центральных равнин Северной Америки, где появилось Западное внутреннее море (или Западный внутренний пролив), соединявшее Северный Ледовитый океан с Мексиканским заливом (рис. 19.4). Эти моря кишели аммонитами, моллюсками, улитками, огромными рыбами и рептилиями, окаменелости которых сегодня можно найти в сложенных мелом толщах этого возраста – таких как Ниобрара-Чок в западном Канзасе (рис. 19.5) или Остин-Чок в центральном Техасе.

Рис. 19.4 Западное внутреннее море покрывало в меловом периоде центральные равнины Северной Америки – от Северного Ледовитого океана до Мексиканского залива. Составлено по нескольким источникам

Рис. 19.5 Скалы Монумент Рокс в округе Гоув штата Канзас. Мел встречается не только в Европе, но и в отложениях мелового периода центрального Техаса и западного Канзаса. Источник: Wikimedia Сommons

Ничего из сказанного выше не было известно, когда легендарный английский биолог Томас Генри Гексли в 1868 г. прочел рабочим Нориджа лекцию «О куске мела» на собрании, проведенном Британской ассоциацией содействия развитию науки. Гексли твердо верил в необходимость просвещать массы, рассказывая людям о науке и природе, и воспользовался кусочком скромного мела, лежащим у доски, чтобы поведать захватывающую историю обо всех геологических событиях, которые привели к образованию этого вещества, о том, из каких окаменелостей оно состоит и как должны были выглядеть древние меловые моря. Впоследствии эту лекцию напечатали в виде книги; она до сих пор считается одной из величайших научно-популярных работ и одной из первых опубликованных (ныне ее можно найти в интернете). Лауреат Нобелевской премии по физике Стивен Вайнберг назвал ее «одной из лучших книг, когда-либо написанных для любителей естествознания». Обозреватель Даэл Вольфл из Американской академии содействия развитию науки отмечал в 1967 г.:

То, что сегодня уроки палеонтологии ценятся гораздо больше, чем в те времена, когда Гексли вел их с помощью куска плотницкого мела, – в значительной степени дань уважения гению Гексли. Сейчас у нас гораздо больше знаний, чем у него, но у нас нет ни лучшего примера искусства убедительно и понятно объяснять, чем занимается наука, ни более яркого примера того, как ученый обязан применять это искусство.

20. Смерть динозавров
Иридиевый слой

Эпоха рептилий закончилась, потому что продлилась достаточно долго и изначально была ошибкой. На закате мезозойской эры наступал лучший день. Вокруг бегали маленькие теплокровные животные, которые воровали и ели яйца динозавров, а также постепенно учились воровать и другие вещи. Цивилизация была не за горами.

Уилл Каппи. Как вымереть

Открытие по случаю

Благодаря множеству чрезмерно упрощенных учебных пособий многие люди считают, что ученые всегда планируют свои исследования ради достижения какой-то определенной цели, делают несложные прогнозы, а затем ищут ответ с помощью экспериментов. Однако большинство учебников (и людей) не учитывают элемента удачи в науке. Многие величайшие научные открытия были сделаны случайно, без какого-либо плана.

Так, в науке, особенно в химии, известны сотни примеров случайных открытий. Ганс фон Пехманн в 1898 г. случайно открыл полиэтилен. Непреднамеренно появились «жвачка для рук» Silly Putty, тефлон, цианакрилатный суперклей, спрей Scotchgard и вискоза; неожиданно были открыты гелий и йод. Примеры из медицины – пенициллин, веселящий газ, оральные контрацептивы. Миноксидил – популярное средство для роста волос – изначально был синтезирован для лечения язвы желудка, а виагру разрабатывали для улучшения кровотока, а не против импотенции. Неожиданными были многие великие открытия в физике и астрономии – планета Уран, инфракрасное излучение, сверхпроводимость, электромагнетизм, рентгеновские лучи и многое другое. Среди практических изобретений к случайным можно отнести струйные принтеры, кукурузные хлопья, безопасное стекло, керамику Corningware и вулканизацию каучука. Перси Спенсер после окончания Второй мировой войны искал применение излишкам магнетронов и, когда один из них расплавил шоколадный батончик в кармане его лабораторного халата, понял, что их можно использовать в качестве микроволновых печей. В 1964 г. два физика, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, пытались избавиться от «шума» в своей недавно разработанной микроволновой антенне. Когда они устранили обычные помехи, оставалось какое-то фоновое «шипение», с которым не удавалось справиться. Еще более удивительно, что источник этого звука оказался в 100 раз мощнее, чем ожидалось, и был равномерно распределен по небу, а не исходил из какого-то одного точечного объекта на Земле или в космосе. В конце концов ученые поняли, что обнаружили давно предсказанное микроволновое реликтовое излучение – след Большого взрыва. В 1978 г. за свое открытие Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию^[76].

Эти и многие другие примеры служат хорошим обоснованием того, почему наука должна заниматься «чистыми изысканиями» ради познания вещей. К сожалению, многие недальновидные и заблуждающиеся люди (особенно члены Конгресса, пытающиеся урезать финансирование науки из федерального бюджета) не ценят такие исследования, считая их бесполезным занятием ради самого занятия, и требуют, чтобы каждый ученый показывал практическую пользу от своей работы – а иначе он останется без финансирования. Это верный путь к научному застою. Даже многие фонды содействия науке действуют таким же образом, стремясь вкладывать средства в традиционные исследования и в работы типа «еще больше того же самого», но редко выделяя средства на отвлеченные и рискованные темы. Политики и говорящие головы на телевидении снова и снова высмеивают фундаментальные исследования, не имеющие конкретной практической цели или четкого применения. Иногда недалеким и малообразованным людям удается вмешиваться в устоявшийся научный процесс и закрывать темы, которые им не нравятся (даже если их одобрили настоящие ученые).

Ирония всего этого ошибочного представления, что «наука должна быть практической и полезной», состоит в том, что большинство величайших открытий в науке не ожидалось и не планировалось; они произошли благодаря случаю. Чаще бывает, что ученые, наткнувшиеся на какую-то важную находку, искали не ее, а что-то другое, и сделали свое великое открытие совершенно внезапно. Однако в науке способность к открытию чаще всего работает, когда ученый готов увидеть последствия какого-то нового и неожиданного развития событий. Луи Пастер выразился на этот счет следующим образом: «В области наблюдений случай благоприятствует только подготовленному уму». А известный ученый и писатель Айзек Азимов заметил: «Самые волнующие слова, которые можно услышать в науке, – те, что предвещают новые открытия, – вовсе не "Эврика!", а "Это забавно…"».

Случай на Апеннинах

Классический случай непреднамеренного открытия – обнаружение свидетельств события, положившего конец эпохе динозавров. На протяжении десятилетий велись бессмысленные и безрезультатные споры о том, что же погубило динозавров в конце мелового периода. Одни утверждали, что климат стал слишком жарким; другие говорили, что стало слишком холодно. Третьи винили во всем эволюцию цветковых растений – вот только она происходила в раннем меле, на 80 млн лет раньше, и на самом деле, вероятно, как раз способствовала эволюции травоядных динозавров, таких как утконосые и рогатые динозавры. Четвертые предполагали, что млекопитающие поедали яйца динозавров – вот только млекопитающие и динозавры возникли вместе в позднем триасе (около 200 млн лет назад), сосуществовали в течение 135 млн лет, и у млекопитающих почему-то не возникало желание съесть все яйца динозавров. Появлялись еще более дикие и менее проверяемые идеи – эпидемии и болезни, распространившаяся депрессия и психологические проблемы и даже тиражируемая таблоидами версия, что динозавров похитили или убили инопланетяне!

Палеонтолог Гленн Джепсен писал в 1964 г.:

Почему они вымерли? Авторы разной степени компетентности предполагали, что динозавры исчезли из-за изменения климата (который резко или постепенно стал слишком жарким, холодным, сухим или влажным) или из-за ухудшения рациона (слишком большое количество пищи; недостаток таких веществ, как папоротниковое масло; яды в воде, растениях или проглоченных минералах; недостаток кальция или других необходимых элементов). Другие авторы винят болезни, паразитов, войны, анатомические или метаболические расстройства (смещение позвоночных дисков, нарушение функций или дисбаланс гормональной и эндокринной систем, уменьшение мозга и, как следствие, отупение, стерилизация от жары, последствия теплокровности в мезозойском мире), дряхлость расы, эволюционный дрейф к старческой сверхспециализации, изменение давления или состава атмосферы, ядовитые газы, вулканическую пыль, избыточное содержание кислорода в растениях, метеориты, кометы, ухудшение генофонда из-за поедания яиц мелкими млекопитающими, чрезмерные возможности хищников, колебания гравитационных констант, развитие психических суицидальных факторов, энтропию, космическое излучение, смещение полюсов Земли, наводнения, дрейф континентов, выброс Луны из Тихоокеанского бассейна, осушение болот и озер, где обитали динозавры, солнечные пятна, Божью волю, горообразование, налеты маленьких зеленых охотников на летающих тарелках, нехватку стоячих мест в Ноевом ковчеге и палеовельтшмерц^[77].

Из-за невозможности проверки эти идеи оказывались всего лишь умозрительными предположениями, а не наукой. Более того, все они слишком концентрировались на динозаврах и при этом игнорировали гораздо более важную картину: вымирание в конце мелового периода было глобальным событием, затронувшим и морскую пищевую цепь (особенно некоторые виды планктона и многие виды морских животных), и наземные растения. Объяснить требовалось не только исчезновение динозавров, но и все это повсеместное вымирание. По сути, если процессы были настолько масштабными и уничтожили множество других организмов на всех уровнях пищевой цепочки, то вымирание динозавров просто следствие, а вовсе не самая важная часть головоломки.

Таково было состояние исследований мелового вымирания, когда молодой геолог Уолтер Альварес занимался полевыми работами в Апеннинских горах центральной Италии. (Я впервые встретил Уолтера в 1976 г. в Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти, когда он был неизвестным независимым исследователем, а я учился в магистратуре.) Тематика его работ не имела ничего общего с динозаврами: он давно интересовался структурной геологией горных толщ, тем, как они были наклонены и смяты в складки. Когда он наносил на карту и описывал мощные разрезы известняков, охватывающие поздний мел и ранний кайнозой (палеоцен) недалеко от итальянского города Губбио, он заметил нечто необычное. Прямо на границе меловых и кайнозойских отложений вместо известняка лежал хорошо заметный слой темной глины (рис. 20.1). Тогда эту границу обозначали KT, поскольку K – стандартное геологическое сокращение для мелового периода (от немецкого Kreide – «мел»), а буквой T обозначали третичный период – интервал кайнозоя от 66 млн лет до 2,4 млн лет. С тех пор геологи пытаются отказаться от устаревшего термина «третичный» и используют термин «палеоген» для интервала от 66 млн лет до 23 млн лет. Поэтому теперь это уже не граница KT, а граница KPg.

Рис. 20.1 Луис Альварес (слева) и его сын Уолтер Альварес у мел-палеогеновой границы в ущелье недалеко от Губбио, Италия. Источник: Wikimedia Сommons

Здесь и подстерегало неожиданное открытие. Из любопытства Уолтер решил проверить, даст ли слой глины какие-либо намеки на длительность мел-палеогенового массового вымирания. Он захватил образцы с собой и принес их на свою новую работу в Калифорнийском университете в Беркли, а при этом спросил у своего отца, физика из Беркли Луиса Альвареса, как можно по слою глины определить продолжительность вымирания. Луис был известным ученым: он участвовал в Манхэттенском проекте, в ходе которого была создана атомная бомба, а также получил Нобелевскую премию за собственные открытия. Отец и сын Альваресы решили, что глина способна что-то рассказать, если поискать в ней частицы космической пыли. Небольшое количество космической пыли должно указывать, что эта глина откладывалась быстро; большое количество должно говорить, что она накапливалась в течение длительного времени.

Как измерить древнюю космическую пыль? Луис решил поискать элементы, которые крайне редко встречаются в породах земной коры, но чаще обнаруживаются в космической пыли и других внеземных материалах. Он выбрал редкий элемент иридий – тяжелый металл платиновой группы из нижней части периодической таблицы. Ученые отправили свои образцы физикам Фрэнку Асаро и Хелен Мичел, работавшим, тоже в Беркли, с установкой нейтронно-активационного анализа, на которой можно было измерять даже крошечные примеси.

Результаты шокировали всех. Количество иридия в образцах зашкаливало! Его было гораздо больше, чем можно было ожидать в случае простого длительного накопления космической пыли. Ученые попытались найти объяснение этой аномально высокой величине. Если иридий появился в основном из космоса, то естественно предположить, что существовал какой-то внеземной его источник. Перебрали самые разные идеи – от прилета комет до множества других гипотез.

Наконец, путем вычислений пришли к выводу, что причиной был удар астероида диаметром около 10–15 км, упавшего на Землю в конце мелового периода. Он должен был обладать энергией в 100 млн мегатонн в тротиловом эквиваленте – более чем в миллиард раз больше, чем мощность атомных бомб, сброшенных на Хиросиму или Нагасаки (действие удара по Хиросиме Луис Альварес видел лично – он был научным наблюдателем на втором бомбардировщике B-29, следовавшем за самолетом «Энола Гэй», с которого и сбросили бомбу). Такой удар не только разбросал бы по Земле космические обломки, но и, что более важно, выбросил бы в атмосферу облако пыли, которое вызывает эффект «ядерной зимы»: солнечный свет перестает доходить до поверхности, а это убивает растения на суше и в океане и разрушает пищевую цепь в самом ее начале. Все эти рассуждения были собраны воедино и опубликованы в 1980 г. в Science. Статья Альваресов, Асаро и Мичел стала одной из самых цитируемых в истории науки.

Воздействие удара

Естественно, когда геологам предлагают такую эпатажную идею, они должны отнестись к ней скептически. Во всех научных сферах появляется множество дерзких и спорных гипотез, которые проходят первый этап отбора и рецензирования, необходимый для публикации, однако отбрасываются после повторного исследования проблемы и появления новых данных. Ученые по горькому опыту знают, что не следует принимать всерьез все новые открытия, о которых шумят в СМИ, потому что большинство из них оказываются ложными или как минимум не такими примечательными, какими их представляет пресса. К сожалению, пресса стала жертвой своей культуры сенсаций, которую хорошо определяет лозунг «Больше крови – выше рейтинги». Журналисты сообщают броские новости, но никогда не берут интервью у тех исследователей, которые ставят под сомнение рассказанную историю, не говоря уже о том, чтобы рассказать через несколько лет, что открытие развенчали.

На профессиональных академических форумах правят веские доказательства, а не сенсационные заявления. Многие годы после появления статьи Луиса Альвареса и его коллег в программах крупных научных конференций (например, проводимых Геологическим обществом США, на которых я бываю ежегодно с 1978 г.) доминировали заседания, посвященные обсуждению гипотезы удара, демонстрации относящихся к ней новых данных и ее разоблачению. Маятник качался в обе стороны, и нейтральному специалисту приходилось ломать голову, чтобы оценить все заявления. Поначалу геологи настороженно отнеслись к иридию в слое глины из Губбио, так как глины хорошо известны тем, что впитывают в себя всевозможные редкие компоненты. Но затем аномально высокие количества этого металла были обнаружены в массиве Стеунс Клинт в Дании и в глубоководных отложениях, так что эффект оказался не локальным. Тем не менее, возможно, он связан только с океанами? Тогда у него может быть какая-то океанографическая геохимическая причина. Однако вскоре иридий нашли в возникших на суше слоях формации Хелл-Крик в Монтане, поэтому стало понятно, что эффект глобален, а для охвата всей Земли его источником должна быть атмосфера. Добавлю, что в ходе проверки гипотезы бывали трудности при анализах – один образец, например, показал высокое содержание иридия из-за обручального кольца лаборанта: ведь в платиново-золотом кольце содержится гораздо больше иридия, чем в любом изучаемом объекте с мел-палеогеновой границы.

В начале 1980-х появилось еще одно возражение. Многие геологи давно знали, что прямо на мел-палеогеновой границе происходило второе по мощности вулканическое извержение в истории Земли – излияние лав на плато Декан в Индии и Пакистане. При этом в атмосферу могли выбрасываться несметные массы пыли и пепла, создававшие эффект, аналогичный гипотетической «стероидной ядерной зиме». Ситуация стала еще интересней, когда выяснилось, что много иридия содержат мантийные вулканы – например, Килауэа. (Иридий крайне редко встречается в земной коре, но в мантии и в космосе его несколько больше.) И снова последовало качание маятника. Обнаружение ударных шариков (капель вещества земной коры из кратера), ударно-метаморфизованного кварца (который образуется только при ударах и ядерных взрывах) и отложений вокруг Карибского моря и Мексиканского залива, свидетельствующих о гигантских цунами, указывали на то, что удар был реальностью. Однако уточненная датировка деканских лав показала, что их масштабное излияние тоже происходило непосредственно перед мел-палеогеновой границей.

Самой большой проблемой было отсутствие «главной улики» – кратера от предполагаемого удара. Имелось несколько кандидатов (в частности, кратер Мэнсон в штате Айова), однако датировка показала, что их возраст не подходит. В конце концов ответ на вопрос был найден – и опять же случайно. Еще в конце 1970-х гг. геолог-нефтяник Глен Пенфилд установил, что геофизические данные указывают на огромную засыпанную кратероподобную структуру, половина которой погребена под джунглями на севере полуострова Юкатан в Мексике, а половина скрыта морем. Но когда Пенфилд сообщил о своей находке в опубликованном в 1978 г. отчете нефтяной компании, никто еще не интересовался моделью столкновения Земли с астероидом. Спустя десятилетие специалист по планетологии Алан Хильдебранд понял, что по Карибскому морю и Мексиканскому заливу разбросаны вызванные цунами отложения и ударные капли, и начал искать кратер в этом регионе. В 1990 г. он наткнулся на отчеты Пенфилда. Погребенный кратер получил майяское название Чикшулуб – по расположенному недалеко от его центра поселению. Когда геологи провели бурение, датировка кратера показала точное попадание на мел-палеогеновую границу. Так подтвердилось, что именно сюда упал искомый астероид.

Что говорят окаменелости?

Конечно, хорошо установить, что в конце мелового периода случилось столкновение с астероидом, и многие геологи (особенно не палеонтологи) тут же остановились и объявили, что «дело закрыто». Но все гораздо сложнее, поскольку, как мы знаем, в то же самое время (причем даже несколько раньше столкновения) происходило излияние деканских лав. Как разделить эти два события? Добавьте тот факт, что в конце мелового периода произошло гигантское снижение уровня моря, осушившее огромные площади внутренних морей – например, меловых, некогда покрывавших Европу и Великие равнины Северной Америки, где существовало Западное внутреннее море (см. главу 19). Это обстоятельство должно было оказать огромное влияние на морских животных, среда обитания которых зависела от мелководья.

Лучшим арбитром в этом сложном переплетении причин и следствий должна была стать летопись окаменелостей. В конце концов, именно массовое вымирание динозавров, аммонитов и многих других существ заставило нас искать причину мел-палеогенового вымирания. Поэтому исследователи сосредоточились на этом вопросе. Если бы все жертвы мел-палеогенового вымирания исчезли одновременно на этом горизонте с иридием и другими ударными отложениями, то должен был бы доминировать сценарий столкновения. Если бы, напротив, организмы медленно вымирали в течение позднего мела, исчезли до удара или пережили удар, а затем вымерли, то более важными оказались бы постепенно проявлявшиеся последствия долговременного изменения климата в результате деканских извержений и, возможно, изменения уровня моря.

Именно здесь в основном сосредоточились споры, и за годы, прошедшие с первой публикации первоначальной импактной модели вымирания Альвареса, шло непрерывное накопление данных. Сразу скажу, что пока так и не обнаруживается простой закономерности, когда все заканчивается на уровне иридия (рис. 20.2). В действительности на горизонте столкновения вымерло только несколько групп животных, зато удивительно большое их количество либо пережило удар, либо вымерло или сократилось в численности задолго до столкновения.

Рис. 20.2 Вымирание и выживание при переходе через мел-палеогеновую границу. Схема составлена автором

В морском царстве обнаруживаются две группы планктонных организмов (амебоподобные фораминиферы и водоросли-кокколитофориды), которых, вероятно, уничтожила эта катастрофа; они, действительно, стали единственными значительными жертвами среди планктона (рис. 19.2). На три другие группы планктона (диатомовые водоросли, силикофлагелляты, а также амебоподобные радиолярии) то же самое событие повлияло, напротив, несущественно или не повлияло вовсе. Минимальному воздействию подверглось (если вообще подверглось) большинство морских беспозвоночных (губки, кораллы, морские ежи, морские лилии, офиуры, брахиоподы и мшанки). Две группы крупных моллюсков (иноцерамиды размером с обеденную тарелку и жившие колониями конусообразные рудисты) исчезли задолго до удара – возможно, из-за воздействия на океан вулканических газов, выделявшихся в деканских извержениях. Среди оставшихся моллюсков вымерло 35 % улиток и 55 % двустворчатых моллюсков, однако все исследования показывают, что их вымирание происходило постепенно в конце мелового периода. Единственные морские беспозвоночные, которые вымерли на мел-палеогеновой границе или вблизи нее, – аммониты, и большинство палеонтологов соглашаются с тем, что они пришли в упадок задолго до конца мелового периода, а возможно, их уже не существовало, когда прилетел камень из космоса. В некоторых местах (например, в Антарктиде) их численность постепенно уменьшалась в течение позднего мела, пока они практически не пропали на мел-палеогеновой границе, что согласуется с ухудшением климата из-за вулканических газов Декана. Кроме того, морские пресмыкающиеся (мозазавры, плезиозавры и гигантские черепахи) в позднем меле тоже находились в упадке, и нет убедительных доказательств того, что они дожили до удара.

Такая же сложная картина наблюдается и на суше. Пыльца свидетельствует, что типичная позднемеловая флора (группа видов Aquilapollenites) вымерла на иридиевом горизонте, а непосредственно на мел-палеогеновой границе наблюдается поразительное обилие спор папоротника, что согласуется со сценарием гибели растений, похолодания и темноты. Однако данные, касающиеся наземных животных, неоднозначны и противоречивы. Конечно, динозавры вымерли (кроме их потомков – птиц), однако последние исследования показывают, что их упадок наступил задолго до мел-палеогеновой границы, и свидетелями удара огненного шара, возможно, стали лишь последние трицератопсы и тираннозавры. При этом почти все другие наземные животные (крокодилы, черепахи, змеи, ящерицы, пресноводные рыбы, лягушки и саламандры) пережили предполагаемую адскую «ядерную зиму» на Земле почти без ущерба. Если условия в мире были такими экстремальными, как утверждается в некоторых вариантах ударной (импактной) модели, то почему крокодилы выжили, хотя даже те динозавры, что были мельче крокодилов, не уцелели? Есть специалисты, предполагающие, что некоторые крокодилы, возможно, пережили пик огненной бури в водных убежищах; но это не могло длиться долго. Другие считают, что какие-то крокодилы впадали в спячку в норах на берегах рек, как это порой наблюдается и сегодня. Однако для подготовки к спячке животным требуется длительное время, которого удар им не давал, – если они вообще впадали в спячку. Вспомните, что зимы мелового периода были довольно мягкими, поскольку в то время мир был парниковым, почти без снега и льда. Лидерство в мире млекопитающих в палеоцене перешло от сумчатых, похожих на опоссумов, к первым доминирующим группам плацентарных млекопитающих, вместе с тем наблюдается относительно небольшое общее снижение разнообразия. Яйцекладущие многобугорчатые, похожие на белок, исчезли в Китае, но не в Северной Америке. Наконец, любой экстремальный сценарий, который предполагает выпадание огромного количества дождей с серной кислотой, образовавшейся в результате удара о гипсовые пласты Юкатана, игнорирует тот факт, что земноводные из-за своей пористой кожи не могут выносить и самую слабую кислотность среды их обитания. Даже современные незначительные изменения кислотности, происходящие из-за кислотных дождей, вызывают хаос среди лягушек и саламандр.

Метаанализ

Короче говоря, летопись окаменелостей не поддерживает простой сценарий «Это сделал камень из космоса, и конец истории», который упорно доводили до сведения множества репортеров и читателей (в него также верят некоторые ученые). Хотя прошло почти 40 лет, дискуссии в научном сообществе продолжаются, и не заметно никаких признаков их прекращения. Каждый год я, как уже говорил, приезжаю на конференцию Геологического общества США, которая проводится осенью в разных городах, и каждый год в ее рамках организуется все больше семинаров, где обсуждают новые данные по теме вымирания. Одно время казалось, что верх одержали сторонники удара, но на собрании 2014 г. в Ванкувере вновь усилились позиции выступающих в пользу вулканов плато Декан, и то же самое повторилось на конференциях 2015 г. в Балтиморе и 2016 г. в Денвере.

Ясно пока лишь, что примерно в одно и то же время происходили три события: столкновение Земли с астероидом, извержения вулканов и падение уровня моря. Все три причины должны были внести свой вклад в жизнь планеты, и какой-то одной недостаточно, чтобы объяснить все последствия. Природа сложна и не подчиняется упрощенным моделям; нет и простого «правильного» ответа на такой многоаспектный вопрос, как причины массового мел-палеогенового вымирания, – вне зависимости от того, насколько средствам массовой информации хочется упростить его, чтобы было легко писать на эту тему и укладываться в отведенное количество слов.

Между тем бесконечная полемика разводит участников по разным полюсам в зависимости от специализации. Геологи, геофизики и геохимики расположены больше к ясным и четким ответам в соответствии с данными, получаемыми на их оборудовании, и склонны отдавать предпочтение сценарию, основанному только на ударе. В отличие от них палеонтологи изучали биологию и осознаю́т сложность живых систем, которые не поддаются упрощениям. Когда в 1985 г. опросили специалистов по палеонтологии позвоночных (изучающих динозавров, рептилий, земноводных и млекопитающих), только 5 % из них согласились, что причиной мел-палеогенового вымирания было столкновение с астероидом. А когда в 1997 г. узнали мнение 22 выдающихся британских палеонтологов (специалистов по каждой из групп организмов, живших в позднем меле), подавляющее большинство их не согласилось с утверждением, что удар оказал значительное воздействие на летопись морских окаменелостей. В 2004 г. опрос специалистов по палеонтологии позвоночных показал, что только 20 % считают причиной мел-палеогенового вымирания столкновение с астероидом, в то время как 72 % полагают, что вымирание было постепенным, долгим процессом, коррелирующим с извержениями плато Декан, а не результатом удара. В 2010 г. в Science появилась статья нескольких авторов (в их числе были и палеонтологи), где единственным объяснением мел-палеогенового вымирания было названо столкновение. В ответ 28 других палеонтологов немедленно написали статью-опровержение, доказывая, что столкновение являлось лишь незначительной частью истории. Даже Уолтер Альварес в своей популярной книге «T. Rex и Кратер Судьбы» (T. Rex and the Crater of Doom) признал, что мел-палеогеновое вымирание было вызвано целым комплексом причин.

В общем, борьба поныне не ослабевает, а поляризация во многом проходит по линии научной специализации. Но на карту поставлено слишком многое. Некоторые ученые всю свою карьеру построили на продвижении той или иной модели, поэтому им есть что терять: гранты, публикации, престиж и даже чувство гордости за собственные заслуги. Они вряд ли отступят, какими бы весомыми ни были доказательства. В конце концов, ученые тоже люди, и если какой-то вердикт не заставит их уступить, добровольно они этого не сделают.

Иногда обмен мнениями далек от беспристрастности, и, безусловно, в бесцеремонных спорах 1980–90-х гг. было много переходов на личности и разрушенных карьер. Луис Альварес как-то заметил: «Не хочу говорить плохое о палеонтологах, но они на самом деле не совсем ученые. Они больше похожи на коллекционеров марок». А исследователь динозавров Роберт Бэккер в беседе с одним репортером так высказался о представителях другой профессии:

Спесь этих людей просто невероятна. Они почти ничего не знают о том, как эволюционируют, живут и вымирают реальные животные. Но, несмотря на свое невежество, геохимики считают, что все, что нужно сделать, – это завести какую-нибудь причудливую машину, и тогда вы сразу произведете революцию в науке. Истинные причины вымирания динозавров связаны с изменениями температуры и уровня моря, распространением болезней путем миграции и другими сложными процессами. По сути, они говорят так: мы со своими высокими технологиями располагаем ответами на все вопросы, а вы, палеонтологи, просто примитивные собиратели камней.

При таком отношении и с такими крупными ставками единственным ответом может быть только расплывчатая формула «Все сложно», а споры не закончатся до тех пор, пока все первоначальные бойцы не покинут поле сражения из-за смерти или выхода на пенсию. И этот день еще не наступил.

Тем не менее, открытие иридиевой аномалии в Губбио и предложенная Альваресами модель вымирания в результате падения астероида пошли на пользу науке – какой бы ни оказалась научная судьба этой версии. Споры породили огромное количество новых детальных исследований, тысячи научных статей и десятки книг. Эти дискуссии вдохнули новую жизнь в некоторые разделы геологии и палеонтологии и положили начало многим успешным карьерам (хотя, повторю, чьи-то карьеры оказались разрушены). Долгое время это заставляло ученых взглянуть на геологию по-иному, с упором на редкие катастрофические природные события, – то есть используя метод, который долгое время подавлялся крайним градуализмом^[78] Чарльза Лайеля. Возможно, в какой-то момент противодействие традиции зашло слишком далеко. В 1980–90-х гг. некоторые ученые пытались возложить на столкновения вину за все вымирания, но обнаружилось, что ни один из других горизонтов массовых исчезновений видов не показывает никаких свидетельств столкновения; эта версия подтверждается только для мел-палеогенового вымирания. Что же, именно так действует наука. Мы делаем ошибки, но рано или поздно коллегиальная оценка и множество дополнительных изысканий находят их, исправляют, и мы приходим к верному ответу. И мир от этого становится богаче.

21. Как палеомагия дала начало тектонике плит
Природные магнетиты

Magnus magnes ipse est globus terrestris. (Земля сама по себе является огромным магнитом.)

Уильям Гильберт. О магните

Фрагмент головоломки № 1: Магнетиты и магнетизм Земли

С античных времен людей озадачивали некоторые камни, которые называли магнитами^[79]. Теперь известно, что это были куски минерала магнетита (рис. 21.1). Еще в VI в. до н. э. греческий философ Фалес Милетский описывал, как эти особые камни притягивались друг к другу и как к ним прилипали мелкие железные предметы. Упоминания о притягивающих камнях есть в китайском труде IV до н. э. «Гуй Гу-цзы» (неизвестный автор книги укрылся за псевдонимом, означающим «Ученый из Долины бесов»). Китайская хроника III в. до н. э. «Люйши чуньцю» содержит утверждение: «Магнит притягивает железо: будто кто-то тянет»^[80]. В трактате «Лунь хэн» («Критические рассуждения»), появившемся в конце I в. н. э., отмечается, что магнит притягивает иглу. К XII столетию китайские мореплаватели соединили магнит с пробкой, которая плавала в воде: получился примитивный компас. А в 1190 г. Александр Некхэм описал компас из магнитного камня, сообщив, что к тому времени такие компасы были широко распространены не только в Китае, но и в Европе.

Рис. 21.1 Галилей предложил вариант компаса, в котором на проволоке был подвешен кусок природного магнетита. Поскольку он мог свободно поворачиваться, устройство годилось для определения магнитного севера. Источник: Wikimedia Сommons

Веками высказывались предположения, какая таинственная сила заставляет магнит искать север и притягивать другие магниты или куски железа. Слово «магнетизм» фактически стали применять к любой необъяснимой силе, действующей на расстоянии, не имеющей никакой реальной связи с тем, что мы теперь знаем о магнитах или электричестве. Даже сегодня мы все еще говорим о «животном магнетизме» или о «магнетических личностях». Но в 1600 г. английский естествоиспытатель и физик Уильям Гильберт опубликовал написанную им на латыни (языке ученых в то время) книгу под названием «De magnete» («О магните»)^[81], в которой обобщил почти все, что было известно о магнетизме и магнитах на тот момент. Его работа считается началом современного понимания электричества и магнетизма. Ученый пришел к верному заключению, что вокруг стержневого магнита существуют невидимые поля, которые притягивают другие магнитные объекты, и что это можно наблюдать, если рассыпать вокруг магнита железные опилки. Он также утверждал, что вся Земля должна быть огромным магнитом, и это объясняло, почему магнит всегда указывает на север. Намного опередив свое время, он писал, что в недрах Земли должна находиться колоссальная масса железа; ученые подтвердили это гораздо позже – с помощью сейсмологии и исследований гравитации и метеоритов (см. главу 10).

Гильберт также правильно отмечал, что Земля вращается вокруг своей оси, и, пользуясь намеками, поддерживал гелиоцентрическую систему Коперника (работа Коперника была опубликована в 1543 г.), хотя эта идея все еще считалась ересью для большей части христианского мира. Вспомните, что это было еще за три десятка лет до того, как Галилей станет отстаивать гелиоцентрическую систему, а инквизиция – угрожать ему пытками, если он не отречется от своей ереси. Гильберт указал, что представление о «неподвижных звездах» на огромном куполе небес (так тогда было принято считать) абсурдно – как абсурдна и концепция «небесных сфер», по которым перемещаются планеты под этим куполом. Он понял, что звезды – точки света от источников, расположенных на огромных расстояниях от нас. Гильберт также занимался изучением природы статического электричества и даже назвал эту силу электрической: он ввел слово electricus, что буквально означает «напоминающий янтарь». Это определение восходит к латинскому electrum (янтарь), а далее к греческому обозначению янтаря ἤλεκτρον: ведь можно легко создать статический заряд, потерев кусок янтаря о ткань.

У Гильберта не было возможности продолжить свою блестящую работу, потому что он скончался (возможно, от бубонной чумы) всего через три года после публикации книги. Однако на протяжении столетий изучение магнитов и дальнейшие прорывы в понимании электричества были на переднем крае научных исследований. В начале XIX в. Майкл Фарадей провел множество экспериментов, которые продемонстрировали природу магнитного поля Земли и связь между магнитными и электрическими полями. В 1860-х гг. Джеймс Клерк Максвелл с помощью математики блестяще объяснил эксперименты Фарадея.

Источник магнитного поля Земли долгое время оставался загадкой, с которой связано много мифов. Древние философы и натуралисты предполагали, что источник силы находится где-то в небесах, потому что магнит действовал в воздухе без какой-либо очевидной физической причины. Во времена греков и римлян считалось, что сила создается некой огромной магнитной горой где-то далеко на севере^[82]. Греческий философ и астроном Клавдий Птолемей из Александрии (тот самый Птолемей, что создал систему эпициклов для объяснения проблем с орбитами планет в геоцентрической системе^[83]) упоминал острова недалеко от Борнео, которые притягивают корабли с железными гвоздями. В знаменитых арабских сказках о Синдбаде-мореходе из цикла «Тысяча и одна ночь» изложена легенда о магнитной горе, которая вытянула из корабля все гвозди и другое железо, после чего он распался на части. Прославленный картограф Меркатор изобразил железную гору на Северном полюсе, а когда это не помогло объяснить проблемы с направлением магнитного поля, возникающие из-за разницы между Северным географическим полюсом и Северным магнитным полюсом, он поместил в верхней части своей карты две железные горы.

Истинную причину магнитного поля Земли обнаружили только в середине ХХ в., когда геологи пришли к заключению, что у Земли есть ядро из плотного сплава железа и никеля (см. главу 10). Температура ядра превышает 4000 ℃: это слишком много для существования в центре какого-то постоянного стержневого магнита (твердые стержневые магниты размагничиваются, если их нагреть выше 650 ℃). В 1946 г. Вальтер Эльзассер впервые выдвинул предположение, каким образом движения потоков железа в ядре могут генерировать наблюдаемое магнитное поле Земли. Затем появилась работа физика Эдварда Булларда, который впервые математически смоделировал магнитное поле Земли и движения в ядре, используя геофизическую гидродинамику.

Геофизическое моделирование, проведенное Эльзассером, Буллардом и многими другими учеными, показало, как внутри жидкого железоникелевого внешнего ядра Земли вращаются магнитные динамо. Подобно тому, как на гидроэлектростанции динамо вращает катушку с проводом вокруг магнита, генерируя ток в катушке, так и геодинамо вращает массу проводящего железа и никеля через магнитное поле Земли, генерируя электрический ток. Этот ток в колоссальном цикле обратной связи генерирует более сильное магнитное поле, которое дает еще более мощный ток, и так далее. Реальные математические подробности того, как работает такая система, весьма сложны, но это единственное объяснение, которое соответствует известным свойствам магнитного поля Земли.

Фрагмент головоломки № 2: Линии блуждания полюсов

К середине XIX в. ученые изобрели примитивные устройства для обнаружения магнитного поля в твердых образцах материала – например, в камне. Со временем приборы становились все более и более сложными, и к 1930-м гг. появились протонные прецессионные магнитометры, которые могли определять магнитную сигнатуру (характеристики магнитного поля) подводной лодки. К 1940-м гг. были разработаны феррозондовые магнитометры, которые обнаруживали более слабые магнитные поля в образце породы.

В 1948 г. Эллис Джонсон, Томас Мерфи и Оскар Торресон из Отдела земного магнетизма Института Карнеги в Вашингтоне опубликовали вызвавшую большой резонанс статью под названием «История магнитного поля Земли». Анализируя направления магнитного поля в слоях древних отложений одного ледникового озера, они показали, что сильный магнитный сигнал могут давать не только лавы и вулканические породы, но и осадочные породы. Им удалось проследить постепенные изменения магнитного поля планеты в интервале от 17 000 до 11 000 лет тому назад. Эта публикация побудила ученых заняться исследованиями древнего магнитного поля Земли. Данную область геофизики стали называть палеомагнетизмом, а ее представители получили прозвание палеомагов, потому что их изыскания помогли решить много интересных и сложных геологических проблем.

Эти работы привлекли внимание блестящего физика Патрика Блэкетта, который в том же 1948 г. получил Нобелевскую премию за исследование космических лучей с помощью камеры Вильсона. Блэкетт родился в Лондоне в 1897 г., служил в Королевском флоте во время Первой мировой войны, прошел несколько сражений, налаживая и улучшая артиллерийские орудия и другое военно-морское оборудование. После войны он занялся физикой в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, где стал учеником Эрнеста Резерфорда, пионера в изучении радиоактивности. Блэкетт и Резерфорд усовершенствовали камеру Вильсона и в конце концов открыли античастицы. Вплоть до 1947 г. Блэкетт работал над созданием магнитометра для обнаружения магнитного поля Земли, надеясь, что это поможет связать электромагнетизм с другой фундаментальной силой, а именно с гравитацией. Попытка не увенчалась успехом, но в процессе работы физик разрабатывал все более точные магнитометры, а также собрал множество палеомагнитных данных о древних горных породах. Среди студентов Блэкетта в Кембридже был Стэнли Кейт Ранкорн, который стал первопроходцем в совершенно новом направлении палеомагнетизма – наблюдениях за изменениями положения магнитного полюса, запечатленными в магнитных породах континентов в течение миллионов лет. В свою очередь, Ранкорн начал масштабную программу по палеомагнетизму, когда перешел в Ньюкаслский университет. Его учениками стали такие выдающиеся специалисты, как Тед Ирвинг, Д. Коллинсон, Кен Крир, Нил Опдайк, а также многие другие известные палеомаги. (Я сам учился у Опдайка, так что являюсь прямым интеллектуальным потомком линии Резерфорд – Блэкетт – Ранкорн.)

Ранкорн вместе со своими учениками и коллегами задался целью собрать как можно больше данных по направлениям палеомагнитного поля для разнообразных пород разного возраста на разных континентах. К середине 1950-х гг. массив информации стал очень солидным, и тогда начали проступать определенные закономерности. Прежде всего ученые смогли сказать, что положение любого из континентов относительно Северного магнитного полюса со временем менялось. Если вы изучите направление магнитного поля для очень молодых пород, то все они будут указывать на современный магнитный север. Но если станете смотреть на породы все более и более старые с одного континента, то древнее направление на магнитный север, зафиксированное в этих образцах, будет все дальше и дальше отклоняться от нынешнего направления на магнитный полюс. Зная все направления на полюс для разных эпох, вы можете выстроить кривую, по которой двигался Северный магнитный полюс относительно данного материка. Это явление назвали «блужданием полюса».

Сложности возникнут, когда вы проделаете то же упражнение с другим континентом (рис. 21.2). Самые молодые породы снова будут давать направления примерно на современный магнитный север, а более старые породы – указывать все более отклоняющийся курс. Вы можете вывести еще одну кривую блуждания полюса для этого континента. Вот только она не совпадет с первой кривой. То же самое случится, если использовать данные с третьего континента. Самые молодые породы опять будут соответствовать современному магнитному северу, а более старые породы дадут кривую перемещения полюса, которая не совпадет с линиями, построенными для первых двух материков.

Рис. 21.2 Кривые кажущегося блуждания магнитного полюса (APWP, Apparent polar wander path) для материков в неподвижном положении. Если же допустить, что континенты двигались, то кривые в точности совпадают. Составлено по нескольким источникам

Возникает дилемма. Вы можете предположить, что континенты не двигаются (в 1950-е гг. в это все еще верилось большинству геологов). Отсюда вытекает, что у каждого континента есть собственная линия движения полюса, а сегодня эти линии сошлись в одном месте – на современном магнитном полюсе. Иными словами, на протяжении всего геологического прошлого у Земли было много разных магнитных полюсов, но в наше время они случайно собрались вместе.

А если вместо этого вы позволите континентам двигаться? Если вы вернете их в исходное положение в прошлом, то все линии блуждания полюса прекрасно совпадут. Таким образом, за геологическое время сам Северный магнитный полюс не очень существенно сместился относительно полюса вращения, зато древние горные породы, фиксирующие направление на этот полюс, сместились относительно него, создавая «видимую кривую перемещения полюса».

Основную часть этих данных опубликовали в середине 1950-х гг., и они стали мощным подтверждением гипотезы дрейфа материков. Однако геологическое сообщество в целом было не готово принять эту идею и отказаться от своей давней ориентации на неподвижность континентов. Большинство считало, что палеомагнетизм – дело новое, и в палеомагнитных данных содержится слишком много провалов и подводных камней (как известных, так и неизвестных в то время), чтобы оценить, действительно ли они показывают движение континентов. Геологи, которые знали об этих исследованиях, просто заняли выжидательную позицию.

Фрагмент головоломки № 3: Магнитное поле земли изменило направление!

Кроме кажущегося движения магнитного поля Земли с течением времени, люди обратили внимание еще на одно удивительное свойство магнетизма древних горных пород: направление магнитного поля время от времени меняется. Сегодня, например, северный конец стрелки магнитного компаса указывает на север, но 800 000 лет назад он указывал на юг. Иными словами, поле меняет свое направление каждые несколько тысяч или каждые несколько миллионов лет, поэтому меняют направление силовые линии, идущие от Северного полюса к Южному, и Земля обретает другую магнитную полярность. Направления магнитного поля в горных породах, которые соответствуют сегодняшнему направлению на магнитный север, условно называются прямыми, а те, которые указывают на юг, – обратными.

Впервые породы с обратной полярностью обнаружил французский физик Бернар Брюнес в 1905 г. при изучении тех же самых вулканов в Оверни (Франция), которые оказались критически важными для подтверждения плутонизма в 1770-х гг. (см. главу 5). Но это было всего лишь единичное наблюдение, поэтому никто не знал, что с ним делать. Лишь в 1929 г. японский геофизик Мотонори Матуяма пошел дальше: он собрал более 100 образцов базальтов из Японии и Маньчжурии и показал, что они дают только два направления поля: на современный магнитный север или на 180° от него (обратная полярность). Он также расположил камни по временно́й последовательности и смог определить, что почти все породы с обратной полярностью примерно одного возраста, но при этом были и другие времена, когда у всех пород полярность была прямой. К 1933 г. швейцарский геофизик и исследователь Арктики Пол-Луи Меркантон описал вулканические породы, а также спеченные интрузиями этих пород глины, обладавшие обратной полярностью. Он утверждал, что такие породы показывают как прямую, так и обратную магнитную полярность и могут оказаться полезными для проверки вегенеровской гипотезы дрейфа континентов.

Однако в течение следующих 25 лет породы с обратной намагниченностью игнорировались, а геофизики сосредоточились на других темах, включая идею блуждания полюсов. Одной из причин стало необычное поведение специфической породы – дацита горы Харуна в Японии. Когда в 1951 г. провели анализ этой породы, оказалось, что она обладает странным свойством «самореверсивности»: сначала этот дацит показывает одно направление поля, затем при нагревании меняет его на противоположное и так при каждом следующем тестировании. Этот странный материал заставил многих ученых опасаться утверждений, что какие-то породы демонстрируют обратное направление магнитного поля, потому что было непонятно, первичны ли направления поля, зафиксировавшиеся при формировании самих пород; все породы могли вести себя как харунский дацит. Такой сбой на долгие годы отвратил представителей палеомагнетизма от проблемы инверсии магнитного поля.

Затем в конце 1950-х – начале 1960-х гг. этой загадкой решили вплотную заняться трое ученых: два палеомага из Стэнфорда, Аллан Кокс и Ричард Доэлл, и молодой геохимик из Беркли Гэри Брент Далримпл (рис. 21.3), который был пионером в совершенствовании калий-аргонового метода датирования. Вскоре после получения докторской степени в Калифорнийском университете в Беркли Далримпл начал работать в Геологической службе США в Менло-Парке, недалеко от Стэнфорда. (Далримпл был выпускником маленького Оксидентал-колледжа, где я преподавал в течение 27 лет, поэтому я его знаю лично.) Итак, Кокс, Доэлл и Далримпл стремились проверить два альтернативных объяснения для поведения пород с обратной намагниченностью. Предположим, что обратное направление поля в древних породах – свойство отдельных образцов, которые самопроизвольно меняли полярность. Тогда при анализе группы образцов одинакового возраста со всего мира они покажут смешанную полярность. Однако, если верна безумная идея, что свое направление изменило все магнитное поле Земли, то породы одинакового возраста во всем мире должны показывать одинаковую полярность – прямую или обратную.

Рис. 21.3 Аллан Кокс (сидит), Ричард Доэлл (в центре) и Гэри Брент Далримпл в магнитной лаборатории Геологической службы США в 1965 г. В то время они активно разрабатывали шкалу магнитной полярности. Фото Геологической службы США

Кокс, Доэлл и Далримпл начали ездить по всему миру и отбирать пробы на обнажениях разных горных пород, стремясь получить как можно больше образцов. В основном это были довольно молодые лавовые потоки, которые не только поддаются датировке калий-аргоновым методом, но и склонны к сильной и стабильной намагниченности. В течение следующего десятилетия ученые проанализировали сотни разновременных подразделений горных пород и тысячи образцов: Далримпл определял их возраст, а Кокс и Доэлл проводили палеомагнитный анализ. К началу 1960-х гг. они заметили определенную закономерность (рис. 21.4А). Все самые молодые горные породы на Земле (моложе 780 000 лет) отличались прямой полярностью. Но по мере того как анализу подвергались породы все более и более древние, стало наблюдаться чередование прямой и обратной полярности. Так, меняли полярность большинство горных пород возрастом от 780 000 лет до 2,5 млн лет: короткие периоды прямой полярности перемежались с длительными периодами обратной. Породы возрастом от 2,5 до 3,4 млн лет в основном были намагничены прямо, тогда как породы от 3,4 до примерно 5 млн лет демонстрировали и прямую полярность, и обратную. Стало ясно, что магнитное поле Земли меняло свою полярность и что это утверждение верно по отношению ко всем пригодным для анализа породам, где бы они ни находились. Кроме того, речь уже не шла о возможном сбое, связанном со странными породами вроде харунского дацита.

Исследования троих ученых продолжались в течение 1960-х гг., и постепенно они выявляли все больше и больше долгих или коротких периодов разной полярности за последние 10 млн лет. Их работу подстегивало дружеское соревнование с группой из Австралийского национального университета в Канберре, включавшей Иана Макдугалла (геохронолог), Дона Тарлинга и Франсуа Шамалауна (специалисты по палеомагнетизму), которые занимались той же задачей: они тоже старались взять пробы и провести анализ как можно большего количества образцов разных пород. К концу 1960-х гг. две лаборатории установили временну́ю шкалу магнитной полярности (рис. 21.4B). Теперь, если вы можете определить характер магнитного сигнала в какой-либо породе, его можно сопоставить с историей инверсий магнитного поля в геологическом прошлом и с высокой точностью определить возраст исследуемого материала.

Такой гигантский прорыв в геологии принес Коксу, Доэллу и Ранкорну премию Ветлесена – высшую награду в области геологии и геофизики. Благодаря их исследованиям возникла новая научная дисциплина – применение инверсий магнитного поля, зафиксированных в отложениях на суше и в глубоководных кернах, и появился новый метод высокоточной глобальной датировки. (Именно этот метод магнитной стратиграфии я использовал в большей части своих исследований, поддерживаемых грантами.) Однако Кокс, Доэлл и Далримпл и не подозревали, что их результаты откроют также секрет спрединга морского дна и тектоники плит.

Рис. 21.4 История магнитной полярности Земли. (A) Первоначальная магнитная шкала времени, показывающая датированные потоки лавы, которые в одинаковом возрасте имеют одну и ту же полярность (прямую или обратную). (B) Последние 4,5 млн лет истории магнитной полярности, расшифрованные в 1960-х гг. Алланом Коксом, Ричардом Доэллом и Гэри Брентом Далримплом из Геологической службы США, а также Ианом Макдугаллом, Доном Тарлингом и Франсуа Шамалауном из Австралийского национального университета. Воспроизведено из нескольких источников с изменениями

Фрагмент головоломки № 4: Полосы на морском дне

Когда после окончания Второй мировой войны начала активно развиваться морская геология, исследователи, как правило, просто накапливали как можно больше различных данных, не зная, что именно они могут найти или что эти данные могут означать. Все суда института Скриппса, лаборатории Ламонт или института Вудс-Хоул регулярно собирали по всем морям информацию о глубине дна, геологии слоев под ним, а также температуре, солености и химическом составе морской воды на разных глубинах. При любой возможности длинная стальная трубка – поршневой пробоотборник – опускалась в отложения океанского дна, чтобы взять керн из осадочных слоев, образовавшихся за миллионы лет истории океана.

На борту каждого из этих судов имелся также длинный торпедообразный прибор – протонный прецессионный магнитометр. Изначально его разработали для охоты на подводные лодки во время Второй мировой войны, поскольку стальные корпуса кораблей обладают сильным магнитным полем. Когда война закончилась, оставшиеся после нее корабли и магнитометры передали, как уже упоминалось, океанографическим учреждениям для геологических исследований. Обычно эти приборы буксировали за кораблем, и они непрерывно фиксировали все магнитные поля, которые улавливали.

В конце 1940-х – начале 1950-х гг. ученые благодаря этому накопили огромное количество данных о магнитных полях на морском дне. Когда такую информацию конвертировали из старых компьютерных файлов, проанализировали и представили в виде графика, результаты выглядели не случайным набором точек, а демонстрировали странную закономерность: при нанесении на карту точки образовывали огромные полосы разной напряженности магнитного поля, встреченные кораблями во время плавания в океане (рис. 21.5). Эти полосы формально именовались магнитными аномалиями, потому что измеренные величины отличались от обычного фонового значения магнитного поля, которое вы ощущаете в течение жизни. В одних случаях наблюдались положительные аномалии – показатели превышали фоновое значение окружающего поля Земли. В других случаях отмечались отрицательные аномалии – измеренные показатели были ниже средней величины магнитного поля, регистрируемой магнитометром.

Геологи не знали, что делать с обнаруженным феноменом. Возможно, это чередующиеся полосы разных типов пород? Или чередование сильно и слабо намагниченных пород? К концу 1950-х гг. геофизики из Института Скриппса Рональд Мейсон и Артур Рафф анализировали данные о дне Тихого океана у берегов Аляски, Британской Колумбии, Вашингтона и Орегона, но картина оказалась сложной и запутанной. Оставалось неясно, что вызывало появление этих параллельных магнитных полос.

Тем временем над аналогичными проблемами размышляла большая группа геологов и геофизиков Кембриджского университета под руководством физика Эдварда Булларда. В 1961 г. Драммонд Мэтьюз (рис. 21.6А) написал диссертацию на основе исследования образцов, драгированных из Срединно-Атлантического хребта. Его работа показала, что хребет полностью состоит из одинаковых на вид потоков базальтовой лавы и что не существует никакой реальной разницы в типах горных пород, которая могла бы объяснить пресловутые магнитные полосы. В 1962 г. еще один молодой ученый Фредерик Вайн стал участвовать вместе с Мэтьюзом в океанографических рейсах, не только собирая образцы, но и просматривая массу сведений о магнитном поле, получаемых с той же части морского дна. Сначала Вайн использовал данные, которые Мэтьюз привез с хребта Карлсберг в Индийском океане, а в 1962 г. Вайн и Мэтьюз начали изучать имеющуюся информацию для Срединно-Атлантического хребта к югу от Исландии (рис. 21.5), где Мэтьюз собирал свои образцы пород. Они тесно сотрудничали и даже делили жилье во время пребывания в Кембридже.

Рис. 21.5 Схема магнитной полярности морского дна. Это оригинальная картина для хребта Рейкьянес – составной части Срединно-Атлантического хребта к югу от Исландии. Полосы прямой полярности (черные) и обратной полярности (белые) соответствуют исходным положительным и отрицательным магнитным аномалиям, измеренным судовым магнитометром. Составлено по нескольким источникам

Рис. 21.6 Пионеры тектоники плит. (А) Фредерик Вайн (слева) и Драммонд Мэтьюз в 1970 году. Фото Дж. Р. Канна (J. R. Cann). (В) Гарри Хесс, объясняющий тектонику плит. Источник: Merritt, J., I. Hess's Geological Revolution: How An «Essay In Geopoetry» Led to The New Science of Plate Tectonics. Princeton Alumni Weekly (1979)

Их также вдохновлял пример еще одного геолога – Гарри Хэммонда Хесса из Принстонского университета (рис. 21.6В). В 1931 г. Хесс участвовал в плавании американской подводной лодки, целью которого было измерение гравитации на дне океана от Флориды и Кубы до восточной части Карибского моря. Во время Второй мировой войны он стал капитаном военного транспорта USS Cape Johnson, совершавшего рейсы по Тихому океану. Хесс днем и ночью держал эхолот включенным и поэтому постоянно накапливал информацию о морском дне под судном.

В ходе этого процесса Хесс впервые обнаружил многие важные структуры океанского дна, включая огромные подводные горы, возвышающиеся над ложем океана. У некоторых из этих подводных гор были плоские вершины. Будучи первооткрывателем, ученый имел право дать им название, и он предложил именовать их гюйотами – в честь Арнольда Гюйо^[84], швейцарского геолога, основавшего в Принстонском университете геологический факультет (который до сих пор располагается в Гюйо-Холле).

Когда война закончилась, Хесс некоторое время оставался в резерве ВМФ и дослужился до контр-адмирала, хотя и возобновил преподавание в Принстоне. Он начал собирать информацию, поступавшую из разных океанографических учреждений за последнее десятилетие. Из своей работы на флоте он знал, что подводные горы – это, вероятно, вулканы, которые когда-то извергались над поверхностью моря, а с возрастом постепенно погружались все глубже и глубже. Из своих гравитационных исследований он имел представление о странных величинах гравитационного поля под океаническими глубоководными желобами. От своих друзей из Обсерватории Ламонт он слышал, что Брюс Хейзен и Мари Тарп нанесли на карту исполинский Срединно-Атлантический хребет с его огромной рифтовой долиной посередине, которая доказывала, что по этой линии хребта происходят растягивание в стороны и разрыв океанского дна (см. главу 22). Он также был знаком с гипотезой Артура Холмса об огромных конвекционных ячеях в мантии, толкающих блоки земной коры (глава 8).

Соединив все эти факты, Хесс опубликовал в 1962 г. фундаментальную статью, в которой объяснялись почти все составляющие современной модели тектоники плит – от спрединга морского дна в зоне срединно-океанических хребтов до постепенного опускания океанической коры по мере ее удаления от этих хребтов. Он также понял, что фронтальная часть движущейся коровой плиты погружается в глубоководный желоб (эти места еще не были названы зонами субдукции). Однако все еще не существовало надежных данных, подтверждающих, что морское дно действительно раздвигается и перемещается, как пара конвейерных лент, идущих в противоположных направлениях. Не имея таких доказательств, Хесс назвал собственную работу «упражнением в геопоэзии», принижая тем самым собственные смелые утверждения и приписывая им больше умозрительности, чем они в действительности содержали.

Розеттский камень для океанского дна

Когда большинство людей слышат словосочетание «Розеттский камень», они думают о широко разрекламированной программе для изучения иностранных языков^[85]. Настоящий Розеттский камень представляет собой огромную стелу из черного гранодиорита (рис. 21.7), которую в 1799 г. обнаружили в дельте Нила солдаты Наполеона в египетском походе. Когда французы потерпели поражение от англичан в 1801 г., то побежденные передали победителям Розеттский камень, и с 1802 г. он демонстрируется в Британском музее. Часто его даже трудно рассмотреть из-за толпы людей, сгрудившихся перед самым известным экспонатом музея.

Рис. 21.7 Розеттский камень – стела из черного гранодиорита, найденная возле Александрии в Египте. На ней выбиты три идентичных по содержанию текста – два на египетском языке (иероглифами вверху и демотическим письмом в середине) и один на древнегреческом (внизу). Камень дал ученым ключ к чтению иероглифов, и это открыло окно в историю Древнего Египта. Источник: Wikimedia Сommons

Розеттский камень известен тем, что содержит три версии одного и того же текста: иероглифы вверху, демотическое письмо (упрощенный тип египетского письма) в середине и классический греческий язык (на котором могут читать многие ученые, в том числе и я) внизу. До того момента никто не мог перевести иероглифы, и большая часть египетского письма (и, следовательно, история Египта) оставалась загадкой. Однако наличие одного и того же текста на известном языке (греческом) и неизвестном (иероглифы) дало ученым ключ к расшифровке. В 1822 г. текст на камне прочел французский археолог Жан-Франсуа Шампольон. После этого у него оказался ключ к иероглифам и, если брать шире, к древнеегипетской истории. Сегодня выражение «розеттский камень» служит метафорой для любого открытия, дающего ключ к разгадке какой-либо тайны или указывающего путь в новую область знаний.

Вернемся в 1963 г. Вспомните, что Вайн и Мэтьюз читали статью Хесса 1962 г. как раз в то время, когда они без устали анализировали собранные ими магнитные данные для Срединно-Атлантического хребта. Они знали, что срединно-океанический хребет всегда состоит из очень молодой лавы, извергающейся под водой. При более детальном рассмотрении они заметили, что центральная часть хребта и извергающиеся сегодня лавы всегда характеризуются прямой намагниченностью, однако с обеих сторон от центральной части существуют симметричные зоны отрицательных магнитных аномалий (рис. 21.5 и 21.8). Фактически рисунок магнитных полос с одной стороны хребта был зеркальным отражением таких же полос с противоположной стороны.

Рис. 21.8 Интерпретация симметричных данных для магнитных полей (чередующиеся аномалии напряженности поля, зарегистрированные судовым магнитометром) на срединно-океанических хребтах. Согласно этой интерпретации, причиной таких аномалий служит изображенный ниже процесс спрединга (раздвигания морского дна). Породы, появляющиеся при извержениях, фиксировали существовавшее на тот момент направление поля на планете, а затем пассивно расходились в стороны, как конвейерная лента. Составлено по нескольким источникам

Затем Вайн и Мэтьюз вспомнили недавно опубликованную работу Кокса, Доэлла и Далримпла, излагающую историю магнитного поля Земли за последние 5 млн лет (рис. 21.4В). И тут их озарило. Может быть, сильная положительная аномалия в центре хребта связана с тем, что породы были намагничены в зоне с такой же прямой полярностью, которая есть и сейчас, и поэтому общий магнитный сигнал получается сильнее среднего современного показателя? И, напротив, может быть, симметричные отрицательные аномалии возникли из-за того, что дно океана было намагничено в зоне обратной полярности? Тогда обратное направление намагниченности для лав на дне океана частично компенсировало бы фоновое поле, и потому суммарная напряженность магнитного поля оказывается ниже среднего, и магнитометр фиксирует отрицательную магнитную аномалию.

Эврика! Все совпало. Лава, извергавшаяся под водой, рифтовая долина в центре, симметричный рисунок магнитных полос, отражающий симметричное расположение прямо и обратно намагниченных пород на морском дне, – все это соответствовало догадке Хесса о спрединге морского дна. В природе происходит постоянный процесс создания нового океанического ложа: магма извергается в трещинах рифтовой долины в центре хребта, когда происходит его растягивание в стороны (рис. 2.5 и 21.8). Как только донные лавы остывают, они фиксируют магнитное поле Земли на момент своего формирования. Затем они растаскиваются в стороны, а в середине формируется новая кора, которая намагнитится уже в другом направлении, если магнитное поле планеты перевернулось. Старая кора постепенно отходит от центрального хребта, как пара конвейерных лент, и эти ленты – подобно пленке старого магнитофона, отходящей от записывающей головки, – сохраняют сигнал, который оставляют чередующиеся периоды прямой и обратной полярности Земли. Свои выводы Вайн и Мэтьюз изложили в эпохальной статье, опубликованной в 1963 г. Так началась революция тектоники плит. (По стечению обстоятельств в то же самое время канадский геофизик Лоуренс Морли выдвинул ту же идею, однако журнал, куда он обратился, отверг его работу. Большинство людей никогда не слышали о нем, хотя историки геологии сейчас говорят о гипотезе Вайна – Мэтьюза – Морли.)

Такое истолкование магнитных аномалий и раздвигания океанического дна было бы невозможно без счастливой случайности, выразившейся в том, что Кокс, Доэлл и Далримпл самостоятельно фиксировали изменения в магнитном поле Земли путем отбора лавовых проб на суше. Временна́я шкала магнитной полярности стала «розеттским камнем», открывшим тайну спрединга морского дна. С этого момента тектоническая теория захватила науки о Земле, навсегда изменив их.

22. Загадка зон субдукции
Голубые сланцы

Францисканский меланж содержит горные породы столь разнообразного происхождения, что это в буквальном смысле коллекция со всего Тихоокеанского бассейна или даже с половины поверхности планеты. Как показывают окаменелости и палеомагнетизм, здесь есть отложения с континентов (песчаники и так далее) и породы из разбросанных морских источников (кремнистые сланцы, граувакки, серпентиниты, габбро, подушечные лавы и другие вулканиты), собравшиеся случайным образом в цементирующей их глинистой основе. Они оказались между плитами в зоне субдукции, и многие из них унесло на глубины от 65 тысяч до 100 тысяч футов^[86] и выбросило обратно в виде голубых сланцев. Эта плотная тяжелая серо-голубая порода, характерная для любых зон субдукции, содержит малиновые гранаты.

Джон Макфи. Собирая Калифорнию

Фрагмент головоломки № 1: Путешествие на дно моря

Вплоть до моего поколения форма океанского дна оставалась для науки одной из величайших загадок. Несмотря на то что океан занимает 71 % земной поверхности, до 1950-х гг. о нем было известно очень мало. Все изменилось, когда известная своими новаторскими подходами Мари Тарп и Брюс Хейзен (рис. 22.1), ее соратник по исследованиям и спутник в жизни, объединили все данные эхолотов, собранные кораблями Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти (ныне Обсерватория Земли Ламонт-Доэрти) с конца 1940-х гг. и начали наносить на карту донные очертания. Сбором океанографической информации занимался Хейзен, потому что в 1950-х гг. женщин на такие суда еще не допускали. Однако у Тарп тоже хватало работы. У нее было несколько дипломов бакалавра; она занималась математикой, геологией, картографией и другими предметами и отказалась от секретарских обязанностей в Ламонт. Тарп неустанно обрабатывала горы бумажных лент, которые поступали с прецизионных эхолотов-самописцев, фиксировавших глубины океанов, для картирования подводного рельефа, а затем с помощью своих знаний геологии заполняла пробелы, составляя полную физико-географическую карту океанского дна.

Рис. 22.1 Мари Тарп и Брюс Хейзен возле их карты океанского дна. Начало 1960-х гг. Источник: Wikimedia Сommons

К началу 1950-х гг. Тарп нанесла на карту данные Хейзена и составила первую в истории полную карту Атлантического океана; она была опубликована в 1957 г. Но уже в 1952–1953 гг. Мари стала первой, кто осознал, что существуют срединно-океанические хребты, тянущиеся по всему земному шару, и что это самые длинные горные цепи на планете. Более того, она заметила идущую по всей оси хребта огромную рифтовую долину, которая была масштабнее Большого каньона. Как геолог Мари знала, что рифтовые долины означают растяжение земной коры, и потому твердо считала, что океанское дно должно расширяться. Однако Хейзен и Морис «Док» Юинг, основатель и руководитель Обсерватории Ламонт, не разделяли ее уверенности. Они были ведущими составителями карты и соавторами опубликованных статей, поэтому сдерживали Тарп и оставляли без внимания ее догадки. Спустя несколько лет Гарри Хесс, Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз (см. главу 21) объединили все сведения по данной проблеме и получили заслуженные почести за открытие и подтверждение спрединга морского дна. Однако именно Мари Тарп стала первым исследователем, обнаружившим те же факты и предложившим их правильное истолкование – за 10 лет до того, как представили свои доказательства Вайн и Мэтьюз.

К концу 1960-х гг. Тарп и Хейзен закончили картирование всего океанского дна, и в 1977 г. National Geographic опубликовал культовую карту глубин, на которой росли все новые поколения. Но в мои школьные годы на глобусах и картах мировые океаны обозначались сплошным бледно-голубым цветом, поскольку о том, что скрывается под волнами, практически ничего не было известно. Я познакомился с Хейзеном и Тарп будучи студентом в Ламонт в 1976 г. и помню шок, который испытали все сотрудники обсерватории, когда в 1977 г. услышали, что Хейзен умер от сердечного приступа на подводной лодке во время картографирования и съемок морского дна. Тарп закончила свою работу, уволилась из Ламонт в 1983 г. и спокойно жила на доходы от своих карт, пока не скончалась в 2006 г. в возрасте 86 лет. Она нанесла на карту больше территорий планеты, чем любой другой человек (как в прошлом, так и в будущем), но очень немногие люди вообще слышали о ней или о том, как она оказалась первопроходцем в той науке, где в ее времена доминировали мужчины.

На картах Мари появилась одна из величайших загадок океанов: чрезвычайно глубокие области морского дна, известные как океанические желоба. В Мировом океане их насчитывается примерно 50; их общая длина достигает 50 000 км, хотя они настолько узки, что включают только 0,5 % морского дна (рис. 22.2). Почти все они находятся по краям Тихого океана, но есть и расположенные у той части побережья Индийского океана, где он омывает Индонезию, а также в других местах. Глубина большинства из них – от 3000 до 4000 м, при этом глубина Марианского желоба составляет 11 034 м: это самая глубокая впадина на поверхности планеты. Вы можете опустить в нее Эверест, и у вас останется еще 2186 м до поверхности. Некоторые из этих желобов были открыты британским «Челленджером» – парусно-паровым исследовательским судном, которое в 1872–1876 гг. участвовало в океанографической экспедиции, производя измерения глубин и извлекая образцы со дна. Участники экспедиции обнаружили место, известное сейчас как Бездна Челленджера – одну из самых глубоких частей Марианского желоба.

Рис. 22.2 Карта основных глубоководных желобов в западной части Тихого океана. Предоставлено Национальным управлением океанических и атмосферных исследований

Азия

На такой глубине холодно и темно, а давление воды столь велико, что выжить могут совсем немногие организмы. Его не выдержит даже большинство подводных лодок, и только в 1960 г. на дно Марианской впадины опустился специально сконструированный батискаф «Триест» (рис. 22.3) с прочным корпусом, рассчитанным на колоссальный напор воды. Он стал первым аппаратом, который взял образцы и сфотографировал самые глубокие уголки океана. С тех пор на дно Бездны Челленджера и других желобов опускались несколько специально разработанных автоматических или управляемых людьми подводных аппаратов. Одно из недавних погружений в одиночку осуществил режиссер Джеймс Кэмерон (снявший фильмы «Терминатор», «Титаник» и «Аватар»), который управлял батискафом под названием Deepsea Challenger. 26 марта 2012 г. Кэмерону потребовалось почти 3 часа, чтобы спуститься на глубину 10 898 м, затем он еще 3 часа занимался исследованиями, а еще через 2 часа вернулся на поверхность. Это было всего лишь второе подобное погружение в самую глубокую впадину океана и рекордное на тот момент по времени, затраченному на исследования. Кроме того, Кэмерон до сих пор остается рекордсменом по глубине пилотируемого погружения.

Рис. 22.3 Батискаф «Триест» – первое судно, погрузившееся на дно Марианской впадины. Источник: Wikimedia Сommons

Хотя Тарп и Хейзен зафиксировали множество глубоководных желобов, в 1950-х гг. их происхождение все еще оставалось загадкой. Одним из ключевых шагов стала гравиметрическая съемка дна океана, которую вел с подводной лодки голландский геофизик Феликс Андрис Венинг-Мейнес. С 1923 по 1939 г. этот высоченный голландец регулярно втискивался в крохотную подводную лодку и бороздил океаны. Затем началась Вторая мировая война, немцы захватили нейтральные Нидерланды, и Венинг-Мейнесу пришлось отложить науку в сторону и сражаться в рядах голландского Сопротивления. После войны он вернулся к своим обязанностям в Утрехтском университете. К 1948 г. он опубликовал результаты собственных многолетних исследований гравитационных профилей морского дна. Одним из самых поразительных результатов оказалась крайне низкая гравитация, отмечаемая под океаническими желобами. В соответствии с основными принципами гравиметрии это означало, что кора под желобами была гораздо менее плотной, чем ожидалось. В большинстве других мест плотность морского дна, напротив, была весьма высокой из-за пород очень плотной мантии, залегающих непосредственно под тонкой океанической корой. Иными словами, что-то должно было вытеснить плотную мантию на большой глубине под желобом – что-то вроде материала земной коры с низкой плотностью.

Фрагмент головоломки № 2: Зона сильных землетрясений

Во время послевоенного бума наук о Земле сейсмология развивалась семимильными шагами. Благодаря средствам, полученным по ходу наблюдений за советскими ядерными испытаниями (ядерные взрывы создают четкие ударные волны, которые сейсмографы могут улавливать), специалисты разрабатывали все более и более сложные способы интерпретации волн, проходящих через планету. С помощью сейсмических волн они уже выяснили структуру и глубину мантии и ядра и определили, что внешнее ядро жидкое. Но теперь оказалось, что сейсмические волны могут рассказать еще больше.

Работая независимо друг от друга в конце 1920-х – 1930-х гг., сейсмолог из Калифорнийского технологического института Хьюго Бениофф и его японский коллега Кийо Вадати разработали методы определения глубины, на которой произошло какое-либо землетрясение. Затем оба начали наносить на диаграмму фокусы многочисленных землетрясений, происходивших вблизи океанических желобов. К своему удивлению, исследователи выявили отчетливую закономерность (рис. 22.4). Неглубокое землетрясение всякий раз происходило прямо под океаническим желобом и под оконечностью континента. Но чем глубже были землетрясения, тем дальше они «уходили» от желоба под край континента. По сути, на диаграммах наглядно выделялась зона погружающихся фокусов землетрясений, иногда уходящая на сотни километров под поверхность.

Рис. 22.4 Погружающаяся зона концентрации землетрясений под океаническим желобом и вулканической дугой, известная как зона Вадати – Бениоффа. Составлено по нескольким источникам

Что могла означать эта закономерность? Бениофф опубликовал свои результаты в 1949 г.; Вадати изложил в целом ту же идею еще в 1928 г., но о ней мало кто знал. Оба ученых указывали, что одинаковая картина обнаружена почти во всех океанических желобах мира. Однако у них не было никаких объяснений открытию. Оно было похоже на единственный фрагмент пазла. Вы понятия не имеете, что на нем изображено, пока не увидите остальную часть головоломки.

Объяснения странных особенностей океанических впадин (гравитационный профиль, а позже сейсмичность) были предложены только в статье Гарри Хесса, опубликованной в 1938 г., и в появившейся годом позже работе Дэвида Трессела Григгса – геофизика, который помимо прочего помог основать корпорацию RAND. В 1951 г. он в качестве ведущего научного сотрудника Военно-воздушных сил США участвовал в разработке водородной бомбы. В своих статьях и Хесс, и Григгс предположили, что тепловая конвекция в мантии заставляет океаническую кору прогнуться и сложиться, как ковер, вдвое, отсюда и необычная мощность низкоплотностных коровых пород под желобами (рис. 22.5). Хесс назвал эту структуру тектогеном. Идея опередила свое время, но в конце концов, когда появилась теория тектоники плит, устарела (хотя я помню, как встречал ее в некоторых учебниках для колледжа, изданных в 1960-х гг., – до того как тектоника плит заставила переписать все книги). Бениофф считал, что может существовать что-то вроде тектогенной складки коры, создающей погружающуюся зону землетрясений, однако почти никто не представлял их истинной причины. Прошло почти два десятка лет, прежде чем зоны Вадати – Бениоффа послужили ключом к ответу на еще более масштабную загадку.

Рис. 22.5 Концепция тектогена, представленная Гарри Хессом в 1938 г. Изгиб земной коры под океаническим желобом, который должен был объяснить низкую гравитацию и повышенную мощность (толщину) пород земной коры в этом регионе, а также погружающуюся зону сейсмичности, зафиксированную Вадати и Бениоффом. SIAL – породы земной коры, состоящие из кремния и алюминия; SIMA – мантийные породы, состоящие из кремния и магния. Воспроизведено с изменениями из статьи: H. H. Hess, «Gravity Anomalies and Island Arc Structure with Particular Reference to the West Indies,» Proceedings of the American Philosophical Society, 79 (1938):71–96

Фрагмент головоломки № 3: Холодная под давлением

В течение многих лет геологи наносили на карты породы Береговых хребтов Калифорнии. Во многих местах находили специфическое метаморфическое вещество голубого цвета, которое назвали голубым сланцем (рис. 22.6). Этот материал обладает такой же сильной плоскостной листоватостью (повторяющимся чередованием слоев), что и сланцы других видов, но редко встречается на планете и сначала был обнаружен, помимо Береговых хребтов Калифорнии, только в Японии. Геологи изучили под микроскопом образцы толщиной 30 микронов и заключили, что этот сланец состоит из особых минералов. Одним из них был уникальный богатый натрием голубоватый глаукофан (в переводе с греческого «выглядящий сине-зеленым») из группы амфиболов. Хотя глаукофан был впервые описан на греческих Кикладских островах в Эгейском море, глаукофановые сланцы Калифорнии вскоре стали гораздо известней. Голубыми сланцами (англ. blueschist) эти породы неофициально называли многие геологи, однако в публикациях данный термин не встречался до 1962 г., когда его употребил в реферате сотрудник Геологической службы США Эдгар Херберт Бейли.

Рис. 22.6 Классический голубой сланец, состоящий из тонколистоватых глаукофана, лавсонита и других голубых минералов. Предоставлено Син-Ти Ли (C.-T. Lee)

Другой необычный минерал был обнаружен в голубых сланцах на полуострове Тибурон в округе Марин (штат Калифорния) в 1895 г. Он получил название лавсонит – в честь Эндрю Лоусона, одного из основателей геологической программы Калифорнийского университета в Беркли (давшего также название разлому Сан-Андреас и руководившего изучением землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г. – см. главу 23). Минерал обнаружили два его ученика – Чарльз Палач и Фредерик Рэнсом, которые и отдали дань своему наставнику. Вскоре геологи собрали длинный перечень необычных минералов, встречающихся в голубых сланцах, но их происхождение оставалось полной загадкой. Попадались и другие минералы – например, синий со стальным оттенком кианит из группы алюмосиликатов и жадеит из группы пироксенов (когда говорят о ювелирных изделиях из жада, то под ним подразумевается жадеит или нефрит).

Только в 1940–50-х гг. удалось синтезировать некоторые важнейшие минералы метаморфических пород. Используя лабораторные печи с чрезвычайно высокой температурой и высоким давлением, геологи подвергали образцы нагреву и давлению, а затем смотрели, какие минералы получались в результате такого воздействия. С помощью этого метода смогли установить, что некоторые метаморфические минералы подобны геобарометрам и геотермометрам. Благодаря лабораторным данным известно, что они образуются только в определенном диапазоне температур и давлений, поэтому их наличие в любой метаморфической породе говорит нам о параметрах внешних сил, влияние которых испытал данный материал.

Таким образом исследователи (в частности, финский геолог Пентти Эскола в 1939 г.) смогли определить, что породы, которые долгое время назывались зелеными сланцами из-за содержащихся в них зеленых по цвету минералов (слюдоподобные хлориты, эпидоты, а также тремолит и актинолит из группы амфиболов), подвергались испытанию относительно низкими температурами и давлениями (2–8 килобар и всего 330–500 ℃). Если какая-либо горная порода погружается в земную кору глубже, она достигает области промежуточных давлений и температур (4–12 килобар и 500–700 ℃). Породы, испытавшие метаморфизм средней степени, геологи относят к амфиболитам, потому что, как правило, эти образования богаты так называемой роговой обманкой (магматическим веществом) из группы амфиболов. Наконец, порода может опуститься в самую глубокую часть континентальной коры, где действуют экстремальные давления (6–14 килобар) и температуры (не менее 700 ℃), которые обеспечивают самую высокую степень метаморфизма. Эти породы характерны гнейсовой текстурой, иногда их называют гранулитами. Породы всех трех типов образуются в результате регионального метаморфизма – например, при столкновении континентов, когда вздымаются колоссальные горные пояса (вроде современных Гималаев). Материалы, испытавшие неглубокое захоронение, превратятся лишь в зеленые сланцы; оказавшиеся ниже станут амфиболитами; а те, которые уйдут на многие километры в земную кору и в корневые части гор, – гранулитовыми гнейсами.

Такова схема образования большинства метаморфических пород планеты, и распределение их специалисты надежно закартировали и тщательно изучили. А как насчет голубых сланцев? Почему в них содержатся специфические минералы? Почему они оказались такими редкими и встречаются лишь в нескольких районах – на греческих островах, в Береговых хребтах Калифорнии, на побережье Японии и еще кое-где? Это оставалось загадкой в течение многих лет. В 1939 г. над данным вопросом и задумался Пентти Эскола, который подозревал, что голубые сланцы – это породы высокого давления, потому что они выглядели как промежуточное звено по отношению к уже известным породам высокого давления – например, эклогитам (которые, как мы теперь знаем, зарождаются вблизи мантии). В конце 1950-х гг. иные геологи полагали, что ассоциация жадеита и кварца из некоторых голубых сланцев представляет собой аналог хорошо изученных зеленых сланцев, но сформированных при высоких давлениях.

Наконец, в начале 1960-х гг. стэнфордский геолог У. Гэри Эрнст и другие ученые провели решающие лабораторные эксперименты, чтобы выяснить, в каких условиях образуются редкие минералы (такие как глаукофан и лавсонит), а также минеральная ассоциация голубых сланцев в целом. После многих лет тестирования ответ появился, но он мало что прояснил: при чрезвычайно высоком давлении (более 4–6 килобар), но при относительно низких температурах (ниже 400 ℃). Это не могло не озадачить. Обычно горные породы, погруженные достаточно глубоко, чтобы оказаться под воздействием такого высокого давления, также и «жарятся» при высоких температурах. Как образовалась порода, «холодная под давлением», которая, по-видимому, никогда не нагревалась до высокой температуры, несмотря на испытанное воздействие? И каким образом горная порода смогла выбраться из глубин земной коры, где на нее оказывался такой «прессинг», и подняться на поверхность? И почему образцы нашли только в Береговых хребтах Калифорнии и еще в нескольких местах планеты?

Появился, таким образом, еще один фрагмент головоломки. Но пока не хватало слишком многого, чтобы сложить всю картину.

Фрагмент головоломки № 4: Хаотично перемешанные породы

Десятилетиями геологи наносили на карту многие непонятного происхождения породы Береговых хребтов Калифорнии к югу от Сан-Франциско до Сан-Луис-Обиспо, используя обозначение «францисканская формация» (термин, предложенный самим Эндрю Лоусоном). Однако у этих пород не было простых стратиграфических соотношений «слоистого торта», и они не демонстрировали значительной выдержанности на расстояние, как настоящие осадочные формации. Наоборот, «францисканские» породы выглядели сильно деформированными и «нашинкованными», словно их измельчили в блендере. Из-за такого внешнего вида они получили название «меланж» – от французского mélange – «смесь» (рис. 22.7). Типичные породы включали много слоев глубоководных сланцев и кремнистых образований, а также турбидитные песчаники (глава 15), хотя все эти слои были расчленены и деформированы, и потому их не удавалось проследить на сколько-нибудь значительном расстоянии. Коренная порода часто резко менялась при переходе от одного тектонического блока к другому. Наблюдалось также много необычных обнажений. Во многих местах Береговых хребтов встречались офиолиты (глава 2), однако только в 1970-х гг. ученые признали в них фрагменты океанической коры. В процессе метаморфизма они превратились из базальта в волокнистый зеленовато-черный минерал, известный как серпентин (из-за гладкой текстуры, напоминающей змеиную кожу). Это породило большое количество серпентинита – породы, состоящей из серпентина (и других минералов типа асбеста). Кроме того, серпентины выветривались, превращаясь в почвы, богатые магнием; прижиться на этих почвах могли только некоторые виды растений. Еще более необычными были крупные фрагменты голубого сланца: лишь в 1960-х гг. ученые определили, что они появились в результате воздействия высоких давлений, но при условии относительно низких температур.

Рис. 22.7 Типичное обнажение меланжа, сильно раздробленного и хаотичного. Из прибрежных обнажений ниже Сан-Симеона и Херст-касла в Калифорнии. Фото автора

Каким образом эти породы были так сильно рассланцованы и искромсаны? Почему эти меланжи обнаруживаются только в считаных местах – прежде всего в Береговых хребтах Калифорнии? И почему они полностью состоят из причудливой смеси глубоководных отложений, офиолитов и голубых сланцев – образований, которые крайне редко встречаются в других условиях? Загадка оставалась нерешенной в течение первой половины ХХ в. К началу 1960-х гг. фрагменты головоломки уже почти сложились, но еще никто не мог рассмотреть общую картину.

Решение № 1: Субдукция ведет к орогенезу

На основе первоначальных представлений о мантийной конвекции и возможном дрейфе континентов возникло логичное предположение. Плиты, образовавшиеся там, где магма поднимается к поверхности, должны каким-то образом погружаться в мантию там, где погружаются течения в верхнем ее слое. Это подразумевается на диаграмме (рис. 8.2) из новаторского для того времени учебника геологии Артура Холмса 1944 г. Холмс писал о плитах:

Они должны тонуть в глубинах, так как им больше некуда двигаться. Именно это, вероятнее всего, должно происходить, когда два противоположных течения сойдутся и повернут вниз под покровом из базальтового состава. На дне проявлением такого опускания базальтового слоя будет океаническая впадина. Огромные впадины, окаймляющие гирлянды островов Азии и Австралазийской дуги (Тонга и Кермадек), вероятно, представляют собой случай, когда сиалический край континента повернулся вниз, образуя внутренний склон впадины, в то время как дно океана формирует внешний склон…

При такой крупномасштабной конвективной циркуляции базальтовый слой становится своего рода бесконечной конвейерной лентой, на поверхности которой может переноситься континент, пока он не остановится (относительно ленты), когда его движущийся фронт достигает места поворота ленты вниз и исчезает в земле.

Если учесть, что это было написано задолго до появления большинства доказательств тектоники плит, текст Холмса звучит удивительно современно. Ученый не только предугадал спрединг морского дна и описал поднимающуюся из его зоны «бесконечную конвейерную ленту» базальтовой океанической коры, но и понял, как именно она погружается обратно в мантию. Его концепция, по сути, объясняет процесс субдукции, хотя сам термин тогда не фигурировал.

Еще в 1939 г. Дэвид Григгс выдвигал гипотезу, согласно которой погружающиеся ниже океанических желобов зоны землетрясений, возможно, свидетельствуют о сдвигании одной плиты под другую вдоль конвекционных течений. По словам Григгса, ведущие сейсмологи были «согласны с тем, что очаги глубоких землетрясений в Тихоокеанском регионе, по-видимому, находятся на плоскостях, наклоненных примерно на 45° относительно континентов. Возможно, эти землетрясения вызываются скольжением конвекционных потоков вдоль поверхностей».

Четко описал тот же процесс Гарри Хесс в своей знаменитой «геопоэтической» статье 1962 г. (см. главу 21). Он рассматривал дно океана как эфемерную материю, переносимую конвекционными потоками в мантии: материя создается на хребтах и опускается там, где конвекционные течения возвращаются в мантию. Хесс пояснял:

Передние края сильно деформируются, когда сталкиваются с движущимися вниз крыльями мантийного течения. Океаническая кора, прогибаясь в опускающемся крыле, нагревается и теряет свою воду, которая попадает в океан. В эту дробилку опускающегося крыла затягивает также верхние океанические отложения и вулканические подводные горы; они подвергаются метаморфическим изменениям и в конечном итоге, вероятно, привариваются к континентам.

Здесь мы видим почти все элементы современного представления о зонах субдукции: опускающаяся плита, нагрев и потеря воды (что в основном стимулирует плавление магм с образованием дуговых вулканов), куски океанической коры, подводные горы и другие материалы, которые подвергаются метаморфизму, деформируются в «дробилке опускающегося крыла» и в конечном итоге «привариваются» к континентам.

После того как в 1963 г. Вайн и Мэтьюз опубликовали доказательства спрединга морского дна, в середине 1960-х гг. появилась лавина прорывных статей – Джона Тузо Вильсона, Дэна Маккензи, Уильяма Джейсона Моргана, Ксавье Ле Пишона и многих других ученых. Почти все они рассказывали о «желобах» и «границах сжатия». Поэтому основные загадки того, что именно образовало океанические желоба, почему гравиметрические измерения в них показывали менее плотную породу и почему обнаружились зоны Вадати – Бениоффа погружающихся землетрясений, оказались связаны с новыми моделями тектоники плит.

Фрагмент головоломки № 5: Великое аляскинское землетрясение

Однако ключевым событием, которое буквально потрясло мир и показало субдукцию в действии, стало землетрясение на Аляске в 1964 г. Катастрофа, произошедшая в Страстную пятницу 27 марта, в 17:36, оказалась самым мощным землетрясением в истории Соединенных Штатов с магнитудой 9,2 по шкале Канамори. На тот момент Аляска была американским штатом всего 5 лет. Некоторые города на юге Аляски стихия сровняла с землей, а огромные цунами смывали всё в прибрежной зоне. Одни районы просто исчезли, погрузившись под воду, другие превратились в зыбучие пески, а дома из-за колоссальных оползней скользили по грунту, как вагончики на американских горках. Удивительно, что, несмотря на огромную магнитуду землетрясения и 7 минут сильной тряски в некоторых местах, погибло всего 136 человек. Повезло, что большинство людей уже были в безопасности дома по случаю Страстной пятницы, да и население Аляски в то время было совсем немногочисленным.

Множество людей занялось логистическими проблемами, вызванными чрезвычайной ситуацией, а геологи приступили к детальному изучению землетрясения и его последствий. Одним из специалистов был представлявший Геологическую службу США Джордж Плафкер, который во время катастрофы находился на месте происшествия. Вскоре сейсмологи установили, что произошел колоссальный надвиг пород, при котором часть дна Тихого океана оказалась под Алеутским желобом и Аляской на севере. Плафкер обнаружил весьма интересную закономерность в породах земной коры, переместившихся выше надвига (рис. 22.8А). Породы непосредственно к северу от Алеутского желоба – с пролива Принс-Уильям до южного берега острова Кадьяк – поднялись в воздух примерно на 9,1 м. С причалов в этом регионе было видно, как вода отступала, словно во время отлива, но затем так и не вернулась, и вся морская жизнь, процветавшая ранее в приливных зонах, погибла (рис. 22.8А и 22.8В). Однако еще дальше к северу от желоба, в районе к северо-западу от поднявшейся области (полуостров Кенай, остров Кадьяк и берега залива Кука), земля просела на 2,4 м, поэтому вода покрыла прибрежные территории и уже не ушла. Погибли обширные прибрежные леса, которые теперь затопила соленая вода (рис. 22.8А и 22.8С).

Рис. 22.8 (А) Подъем и опускание после Великого Аляскинского землетрясения 1964 г., по-видимому, были вызваны сдвиганием одной плиты под другую вдоль Алеутского желоба. (В) Поднявшиеся береговые обнажения. Приливы больше не доходили до них, и морская жизнь, оказавшись без воды, прекратилась. (С) Некоторые территории после Аляскинского землетрясения опустились и оказались затопленными. Предоставлено Геологической службой США

Плафкер сопоставил всю эту информацию и понял, как именно на коре сказалось смятие блока, лежащего поверх огромного надвига. Давление выгнуло вверх область непосредственно выше зоны надвига в желобе, в то время как кору сразу за ней почти в такой же степени прогнуло вниз. Землетрясение 1964 г. на Аляске стало первой демонстрацией субдукции в действии.

К концу 1960-х гг. сейсмологи использовали модификацию старого метода, чтобы подтвердить, что плиты двигались именно «тем курсом», который предсказывала концепция тектоники. Используя так называемый анализ первого движения, специалисты по данным, полученным от разных сейсмографов, смогли определить, куда был направлен надвиг и каков был угол плоскости разлома. Собрав данные о тысячах землетрясений, происходивших на десятках разных границ между плитами, ученые из Обсерватории Ламонт Брайан Айзекс, Джек Оливер и мой бывший профессор сейсмологии Линн Сайкс в 1967–1968 гг. представили свои выводы: землетрясения подтверждают, что границы земной коры перемещаются в соответствии с моделями тектоники плит. Все землетрясения демонстрировали не только то, что зона сейсмичности погружалась под вышележащую плиту (согласно предварительным расчетам Бениоффа и Вадати), но и то, что сейсмические перемещения свидетельствуют о надвигании одной пластины на другую. Напротив, землетрясения от срединно-океанических хребтов растаскивались в стороны вдоль вертикальных плоскостей, как можно было предсказать по спредингу морского дна. Это исследование было признано одним из доказательств реальности тектоники плит.

Несмотря на всплеск научной деятельности по данной теме, оставался вопрос, как назвать общую концепцию. Ведь до тех пор со всевозможными вводящими в заблуждение коннотациями использовались самые разные термины: поддви́г, опускающаяся плита, надвигающаяся плита, перекрывающая плита, зона сближения, зона сокращения, зона поглощения, погружение, желоб, зона разрушения земной коры, зона Бениоффа, островная дуга, затягиваемая вниз кора, зона нисходящего потока, нисходящее крыло, зона захвата, глубинное течение, глубинный поток и т. д. Одни определения (например, зона Бениоффа) были сейсмическими понятиями, в то время как другие передавали структурные или тектонические характеристики.

В начале 1969 г. Билл Дикинсон из Стэнфордского университета организовал первую Пенроузскую конференцию Геологического общества США. Пенроузские конференции весьма отличаются от обычных форумов Геологического общества, на которые приезжает 5000–6000 специалистов и на которых в течение 4 дней проводится около 20 одновременных сессий, а участники выступают с 15-минутными докладами, которые могут вызвать (или не вызвать) некую дискуссию, либо просто приходят послушать чужие выступления. Я побывал на трех Пенроузских конференциях, две из которых сам организовывал, и они больше похожи на семинары или на мозговые штурмы, чем на официальное заседание. На них приглашают тех специалистов, которые могут внести свой вклад в какую-то масштабную тему, и обсуждение продолжается до тех пор, пока участникам есть что сказать, поэтому расписание принципиально свободное и гибкое. Еще важнее, что все участники слушают все доклады, так что это не похоже на обычное собрание общества, когда параллельно, повторю, происходит множество выступлений в разных аудиториях, а вы можете побывать только на некоторых из них. Суть Пенроузских конференций состоит в том, чтобы собрать вместе представителей разных дисциплин, которые обычно никогда не взаимодействуют, – чтобы они выслушали друг друга и посмотрели, чему могут научиться.

Пенроузская конференция 1969 г. была исторической не только потому, что стала первой такой встречей, но и потому, что Дикинсон и его соорганизаторы собрали в одном месте почти всех пионеров тектоники плит. Незнакомые с этой областью ученые получили полное представление о проходящей период становления новой теории. Прибыли и многие старые титаны науки, обладавшие огромным опытом в некоторых областях геологии, но еще не видевшие применения тектоники плит в своих направлениях. Коллективный интеллектуальный потенциал форума впечатлял – более дюжины участников были или позже стали членами Национальной академии наук.

Дикинсон с коллегами организовали эту конференцию на курорте Асиломар в Пасифик-Гроув на полуострове Монтерей. Асиломар известен как место проведения стимулирующих, новых по повестке форумов – конференций TED^[87], уик-эндов, посвященных медитации и самопомощи, и многих других встреч. Это идеальное место, чтобы расслабиться и пообщаться со Вселенной или обсудить важные идеи, сидя в джакузи с бокалом хорошего вина и захватывающим видом на Тихий океан и окружающие секвойи. Первая Пенроузская конференция, проходившая с 15 по 20 декабря 1969 г., изменила все геологическое сообщество. Участники обнаружили, что у каждого из них есть свой важный фрагмент головоломки тектоники плит, что все эти фрагменты подходят друг к другу и что коллективно составленная картина прекрасно объясняет некоторые серьезные геологические проблемы, над которыми старая гвардия билась десятилетиями. Когда конференция закончилась, участники разъехались освободившимися от прежних стереотипов и полными новых идей, а многие из них охотно вскочили в повозку победителей, встав на сторону плитно-тектонической научной революции.

Одним из ценных сувениров стала обычная обеденная тарелка, похищенная из столовой Асиломара: ее в качестве награды вручили Дикинсону участники конференции. Они написали на тарелке маркером: «Приз героя тектоники плит^[88]. Пенроузская конференция в Асиломаре, декабрь 1969». И еще: «Мы верим в субдукцию». Позднее сам Дикинсон так комментировал состоявшееся событие: «Революция тектоники плит в науках о Земле произошла как раз в то время, когда я прочно стоял на земле своими профессорскими ногами, и я летал на этой ракете несколько лет… Революция плит – это было на самом деле весело. Мы постоянно спрашивали себя, как можно было так долго оставаться тупицами. Но мы также знали, что находимся в выгодном положении и можем добиться успеха, просто ломясь вперед».

Во время Пенроузской конференции в Асиломаре участники обсудили и терминологическую путаницу, связанную с попытками правильно обозначить загадочную область с погружающимися землетрясениями в зоне Вадати – Бениоффа. После изучения исторических прецедентов собравшиеся пришли к выводу, что стоит остановиться на одном из первых фигурировавших в печати названий – субдукция, использованном французским геологом Андре Амстутцем в 1951 г. для описания этого явления в Альпах. Таким образом, субдукция стала по общему решению определяться как процесс, при котором одна плита погружается под другую, и геологическое сообщество получило четкую терминологию для элементов «зоны субдукции».

Решение № 2: Комплекс зоны субдукции

К концу 1960-х гг. геофизические данные (особенно из сейсмологии, гравиметрии и палеомагнетизма) надежно установили природу океанических желобов и плит земной коры, из которых одна соскальзывает под другую. Последствия реального землетрясения, вызванного подобным погружением, были задокументированы после того самого землетрясения на Аляске в Страстную пятницу 1964 г. Но что насчет своеобразных горных пород, известных как меланж, или странных метаморфических голубых сланцев?

На протяжении 1960-х гг. морская геология продолжала делать большие успехи. Геологи тщательно изучали породы не только в глубоководных желобах, но и по обеим их сторонам. На краю плит, подходящих к желобам, обнаружили характерные гребни материала, которые иногда были настолько толстыми, что поднимались над водой и образовывали цепочку островов, идущих от желоба в сторону суши. Когда суда пробурили эти гребни и построили для них сейсмические профили, геологи увидели, что материал необычен по структуре. Взятые керны показали, что он сложен рассланцованными породами, часто без общей слоистости. Еще более примечательным оказалось то, что самые старые линзы или пластины пород находились вверху, а по направлению к нижней части породы молодели, – полная противоположность тому, что происходит, когда слои осадочных пород соскальзывают один на другой с сохранением естественной последовательности, то есть с молодыми породами, залегающими поверх более древних.

Это отступление от обычной картины было еще более очевидным на сейсмических профилях, которые показывали, что каждый гребень представляет собой стопку сложенных надвиговых пластин, часто с развитой по ним интенсивной складчатостью (рис. 22.9). В некоторых случаях десятки таких пластин были брошены, словно колода карт, по бортам этих гребней. Еще более показательно, что слои из буровых кернов в основном были деформированными морскими осадочными отложениями, такими как глубоководные глинистые сланцы, кремнистые породы и турбидиты, однако иногда исследователи находили пластины офиолитов и других специфических материалов.

Рис. 22.9 (A) Схема аккреционной призмы перед вулканической дугой. Состоит из материала, который соскребается с опускающейся плиты и прилипает к основанию плиты наползающей. Взято с изменениями из книги: Donald R. Prothero and Robert H. Dott Jr. Evolution of the Earth. 8^th ed. [New York: McGraw-Hill, 2010]. (B) Сейсмический профиль через аккреционную призму, показывающий разломо– и складкообразование внутри нее. (B) Источник: Moore et al., 2007

Геологические исследования морских кернов привели ученых к выводу, что вся эта своеобразная груда пород была, так сказать, соскоблена с опускающейся плиты, когда та погружалась в желоб и уходила в мантию Земли. Отсутствие непрерывности и сильная деформация материала объясняются тем, что его в процессе соприкосновения плит интенсивно резало, сдвигало и сминало. Можно сравнить это с тем, как бульдозер загребает землю: первые породы перемещаются в верхнюю часть кучи, а новые нож бульдозера загоняет под старые. Чем дольше происходила субдукция, тем больше и выше была у желобов стопка соскобленного материала.

Почти сразу после того, как морская геология предоставила такие наблюдения, специалисты на суше поняли, что этот процесс вполне может объяснить и особенности меланжа. В серии классических статей, опубликованных между 1969 и 1971 гг., Гэри Эрнст и Билл Дикинсон (в то время трудившиеся в Стэнфорде) и Кеннет Сюй (работавший в Геологической службе США) определили эту связь и заявили, что беспорядочно видоизмененная «францисканская формация» вовсе не какое-то условное осадочное образование, а тектонический комплекс, или комплекс аккреционного клина (аккреционной призмы). Все части этой головоломки обрели смысл.

Оставался всего один фрагмент головоломки: причудливые голубые сланцы. В начале 1960-х гг. Эрнст и другие ученые показали, что эти породы образовались в ситуациях чрезвычайно высокого давления, но при низкой температуре. Где же могли существовать такие места? Тот факт, что голубые сланцы обнаруживали в меланжах и в ассоциации с древними вулканическими дугами, свидетельствует, что они также представляют собой продукты субдукции. В серии статей, вышедших в 1970–1973 гг., разные авторы, и в том числе Эрнст, показали, что зоны субдукции могут оказаться идеальным местом для таких специфических метаморфических условий. Опускающаяся пластина океанической коры (слэб) была не только холодной после миллионов лет медленного перемещения по морскому дну, она также испытала сильное воздействие выветривания и пропиталась водой. Когда этот слэб погружался в мантию, холодные влажные породы попадали в область очень высокого давления. Требовалось много времени, чтобы холодная пластина нагрелась до температуры, обычной для нижнекоровых – верхнемантийных пород. Такие условия были бы идеальными для появления голубых сланцев. Слэб не только оставался бы «холодным под давлением», но часть его могла оказаться вдавленной в подошву аккреционной призмы, а в конечном счете даже вынесенной на поверхность – по мере того как новые тектонические пластины выталкивали породы на открытый воздух.

Ныне мы можем найти во многих частях мира примеры древних зон субдукции, с их аккреционными клиньями, голубыми сланцами, меланжами и офиолитами. Однако соединение всех фрагментов этой головоломки было медленным процессом, который ускорился только после появления морской геологии и последующего зарождения тектоники плит.

23. Землетрясение! Разлом Сан-Андреас
Трансформные разломы

В ясную погоду летчик мог легко пролететь эти 400 миль без радио и приборов, ориентируясь только по разлому. В лесных высокогорьях след то тут, то там исчезает, однако в целом Сан-Андреас не просто ясно виден – на него стоит посмотреть, как на проторенный путь какой-нибудь великой миграции, как на хирургический шрам на животе. На юге… он прорезает две высокие выемки, в которых плиоценовые осадочные породы выглядят как скрученные журналы, отражая не одно тектоническое событие, а целую последовательность их, обнажившихся посреди действия.

Джон Макфи. Собирая Калифорнию

Сан-Франциско, 1906

5:00 утра 18 апреля 1906 г. Тихое утро в Городе у залива^[89]. На ногах только несколько патрульных полицейских и разносчиков; остальные люди еще спят. Накануне вечером было необычно жарко. Многие богачи посетили постановку «Кармен» в Большом оперном театре с легендарным тенором Энрико Карузо в роли Хозе. (По иронии судьбы в газетах в тот день напечатали сообщения об извержении вулкана Везувий, который находится рядом с Неаполем, родиной Карузо.)

Благодаря Калифорнийской золотой лихорадке, начавшейся в 1848 г., Сан-Франциско превратился из сонного мексиканского поселения, каким он был в 1830–40-х гг., в огромный город с населением более 400 000 человек. Вместе с таким стремительным развитием увеличивалось и количество опасностей. Хлипкие строения времен золотой лихорадки, сооруженные из дерева и парусины, горели по меньшей мере 6 раз в период пожаров между 1848 и 1851 гг. В 1836 и 1868 гг. в городе произошли небольшие землетрясения, но с момента последнего из них минуло уже 38 лет, и жители либо забыли о бедствии, либо приехали после него, либо просто родились после катастрофы. К 1906 г. вместо большинства старых деревянных построек появились новые блестящие здания со стальными каркасами и кирпичными фасадами на цементном растворе. У многих домов на крышах размещались большие резервуары с водой, чтобы пожарные могли получать воду под давлением. Сан-Франциско располагал одной из самых масштабных и профессиональных систем пожаротушения в Америке.

В 5:12 утра тихие улицы и дома внезапно сотрясла серия сильных толчков. Один из дежуривших полицейских позже описал движение земли как вал бурного моря, катящийся по улице (рис. 23.1А). Другой патрульный, Джесси Браун Кук, находившийся в восточной части Вашингтон-стрит, стал одним из первых очевидцев таких мощных волн, приближающихся с севера. Потоки воды неслись по улице, и мостовая под этим напором колебалась. Здания и тротуары поднимало и опрокидывало. В своем отчете Кук сообщал:

Земля, казалось, поднялась подо мной, и в то же время Дэвис-стрит и Вашингтон-стрит в нескольких местах разверзлись, и из этих трещин потекла вода. Улица, казалось, оседала подо мной, и она действительно опустилась в некоторых местах от одного до трех футов. Здания вокруг меня начали крениться и рушиться, и какое-то время я был сильно занят тем, что уворачивался от кирпичей. Я увидел, как верхний этаж дома на юго-западном углу перекрестка Дэвис-стрит и Вашингтон-стрит обрушился и убил Фрэнка Бодуэлла.

Выбежавший из отеля «Валенсия-стрит» ночной портье вспоминал: «Гостиница накренилась вперед, словно из-под нее вытащили фундамент, и рухнула на Валенсия-стрит. Она не распалась на части и не разлетелась вокруг, а сложилась как гармошка».

Рис. 23.1 Землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско. (А) Деформированные и растрескавшиеся улицы. (В) Накренившиеся здания. (C) Толпы людей, наблюдающие за пожарами, двигающимися вверх по склону в районе Голден Гейт Хайтс. (D) Пожар, бушующий у ратуши Сан-Франциско; охрана из солдат была выставлена, чтобы предотвратить мародерство. Источники: (A) California State Library, California History Room. (B) UC Berkeley, Bancroft Library. (C) Wikimedia Commons. (D) UC Berkeley, Bancroft Library

Людей, находившихся на первых трех этажах отеля, раздавило насмерть (погибло не менее 100 человек), а те, у кого номера оказались на четвертом этаже, просто вышли на улицу. Еще один очевидец по имени П. Барретт рассказывал: «Мы не могли устоять на ногах. Большие здания рассыпались, как печенье, сжатое в руке. Огромный карниз передо мной раздавил какого-то человека, словно личинку».

«Палас» был на тот момент самым большим отелем в Сан-Франциско и крупнейшим в стране; в нем останавливались такие знаменитости, как Карузо, а также президенты и короли. В здании было семь этажей, четыре недавно изобретенных лифта, свыше 800 номеров. Под крышей гостиницы на случай пожара установили железные цистерны на 700 000 галлонов воды^[90]. После первых подземных толчков лошади, стоявшие у подъезда, убежали, деревья зашатались, но здание устояло. Карузо, поужинавший после выступления, лег спать всего за 3 часа до катастрофы. Певец был сильно напуган. Газеты напечатали разные версии того, как он отреагировал на бедствие, и в одном из сообщений отмечалось, что певец набросил шубу прямо поверх пижамы и немедленно уехал, бормоча: «Чертов город!.. Никогда сюда не вернусь!» И он действительно никогда сюда больше не приезжал.

Полицейский Гарри Уолш наблюдал смерть и разрушение, видел огромные трещины в мостовой на Фремонт-стрит, которые закрывались и вновь раскрывались, когда по улице проходили ударные волны. Затем он заметил стадо лонгхорнов^[91], несущихся к нему по Мишен-стрит со стороны причалов. Судя по всему, животных только что выгрузили с прибывшего корабля и, когда разразилось землетрясение, как раз гнали на скотные дворы к югу от города. Мексиканские пастухи-вакеро в панике удрали, оставив бедняг метаться по улицам города. Уолш вспоминал:

Когда многие из них бежали по тротуарам Мишен-стрит, между Фремонт-стрит и Фест-стрит, на проезжую часть обрушился большой склад, отбросив большинство животных через тротуар к цокольному этажу, раздавив их и похоронив на месте. Прежде всего в глаза бросались те, кого зацепило и искалечило падавшими карнизами и прочим… и они сильно мучились. Поэтому я вынул револьвер и пристрелил их. Когда у меня осталось всего шесть пуль, я заметил, что приближаются новые животные, и понял, что ожидаются большие неприятности.

В этот момент я столкнулся с Джоном Моллером, владельцем салуна… Я спросил, есть ли у него какое-нибудь оружие, и если есть, то пусть побыстрее его мне тащит. Моллер был очень напуган и взбудоражен землетрясением и всем прочим; а когда увидел мчащийся к нам ревущий скот, похоже, совсем оробел.

В любом случае думать было некогда. Пока я просил помощи, на нас бросились два молодых бычка, и он рванулся к своему салуну. Мне требовалось быстро выполнить свою часть работы, но из оружия у меня был только револьвер, и поэтому мне для выстрела приходилось выжидать, чтобы животное подбежало совсем близко. Иначе я бы не убил и даже не остановил его.

Когда я застрелил одного из бычков, то увидел, как другой бросился вдогонку за Джоном Моллером, который был уже у дверей своего салуна и, казалось, находился в безопасности. Но пока я осматривался, Моллер обернулся, и его точно парализовал страх. Он протянул обе руки, словно умоляя зверя отступить. Но тот набросился и распорол его, прежде чем я успел подбежать достаточно близко для выстрела. Когда я убил животное, было уже слишком поздно, чтобы спасти человека…

Потом прибежал какой-то молодой парень с винтовкой и кучей патронов. Это был старенький «Спрингфилд», и он знал, как им пользоваться. Он оказался отличным стрелком и в скотине тоже разбирался. Он сказал мне, что приехал из Техаса… мы, вероятно, убили 50 или 60 голов.

Фактически толчки длились около 40 секунд, но тем, кто испытал их в то утро, секунды показалась вечностью. Разрушения были повсюду. Обрушились почти все кирпичные здания и дымовые трубы (рис. 23.1B), поскольку не были укреплены стальной арматурой, как это требуется в Калифорнии сейчас. Здания с деревянными или стальными каркасами выдержали землетрясение лучше, но в деревянных домах немедленно начались пожары: упали все масляные лампы и разбросало горевшие камины и очаги (рис. 23.1C). Вскоре огонь вышел из-под контроля. Пожары длились в течение четырех дней, уничтожив примерно 28 000 зданий, сровняв с землей больше трех четвертей города и в конечном итоге нанеся в десять раз больше ущерба, чем само землетрясение^[92].

Несмотря на все приготовления, пожарные проявили беспомощность. Начальник пожарной службы погиб во время землетрясения, а большая часть системы водоснабжения оказалась бесполезной из-за разрушения труб при подземных толчках. Немного помогали делу цистерны на чердаках зданий, однако их было недостаточно, чтобы справиться с огнем. Вскоре 2000 солдат с военной базы в Президио (рис. 23.1D) отправились патрулировать улицы с приказом стрелять в мародеров (хотя военное положение формально не объявлялось). Пожарные так отчаянно стремились остановить пламя, что на его пути даже пытались взрывать здания, чтобы создать противопожарную полосу. Филип Фрадкин, автор книги «Великие огненные бури 1906 года» (The Great Firestorms of 1906), пишет: «Одной из проблем был тип использованной ими взрывчатки. Порох легко воспламеняется и способствует распространению огня. И они допустили ошибку в конце второго дня, взорвав огромный химический склад… и это была просто пиротехника плюс».

Ко второму дню образовался огромный поток беженцев, которые спасались от пожаров, разбивая палаточные лагеря за городом или пересекая залив на паромах. Одна из свидетельниц катастрофы Роза Барреда, жившая с матерью, писала подруге:

Мимо нашего дома прошло множество опаленных людей с котомками, волочивших тяжелые баулы с помощью веревок на шее. После того как они слышали роковой душераздирающий звук трубы, возвещающий, что их дом будет сожжен или взорван, они должны были уйти – либо оказаться застреленными. Когда солнце садилось, черное облако, за которым мы наблюдали весь день, становилось ярко-красным, и это точно не было образом нашего прославленного заката у Золотых ворот.

Дотла сгорели даже районы, не очень пострадавшие от землетрясения. Через 4 дня было разрушено 80 % Сан-Франциско, а половина 400-тысячного населения осталась без крова. Официально заявленное количество погибших составляло от 300 до 700 человек, но в статистике никогда не учитывались китайцы или латиноамериканцы, жившие в трущобах, поэтому считается, что реальное число жертв около 3 тысяч.

Почти сразу после землетрясения и пожаров городские активисты и крупные бизнесмены дали обещание отстроить город, сделав его больше и лучше. Существовали амбициозные планы поменять всю систему улиц и превратить город в более современный, однако в итоге его восстановили по старому плану, хотя строители все же расширили некоторые улицы, а также увеличили количество зданий противопожарной конструкции. Однако необходимость стальной арматуры во всех кирпичных зданиях не была должным образом осознана, так что даже сегодня все еще существует много опасных и немодернизированных старых построек.

Через 9 лет после землетрясения Сан-Франциско, демонстрируя свое полное восстановление, принял масштабную Панамо-Тихоокеанскую международную выставку – парадную экспозицию, посвященную завершению строительства Панамского канала. Чтобы освободить пространство для выставки, строители сбросили в залив значительную долю завалов, оставшихся после землетрясения. После окончания форума на некоторых из этих площадей разместился парк «Золотые ворота», а часть новой суши использовали для строительства квартала Марина. Именно он принял на себя самый мощный удар и сильнее всего пострадал во время землетрясения Лома-Приета в 1989 г. в городе Санта-Круз.

Власти не только восстановили город, но и решили, что упоминание о землетрясении принесет ему дурную славу, которая отпугнет инвесторов; поэтому стихийное бедствие официально назвали «пожаром Сан-Франциско 1906 г.». В конце концов, пожары – это привычные и неизбежные события, которые постоянно опустошали многие крупные города, тогда как землетрясения ужасны и непредсказуемы. Отцы города сделали все возможное, чтобы пресечь любое упоминание о землетрясении в прессе. Они даже скармливали газетам Восточного побережья ложные истории, где хвастались, что Сан-Франциско восстал из пепла всего за неделю.

Конечно, геологи сочли эти пропагандистские попытки сокрытия истины одновременно смешными и разочаровывающими – особенно когда в результате цензуре подвергалась законная научная информация, которую общественность должна была знать. В 1908 г. Джон Браннер писал в Bulletin of the Seismological Association of America (издании, основанном как раз в связи с землетрясением 1906 г.):

Основным препятствием для надлежащего изучения землетрясений было неверное представление многих людей, организаций и коммерческих кругов, что землетрясения наносят ущерб хорошей репутации Западного побережья и, вероятно, мешают бизнесу и капиталу, а потому чем меньше о них говорить, тем лучше. Эта теория привела к преднамеренному замалчиванию сообщений о землетрясениях и даже просто упоминаний о них.

Вскоре после апрельского землетрясения 1906 г. проявилась общая тенденция, которая практически свелась к согласованным действиям с целью подавить всякое упоминание об этой катастрофе. Некоторые геологи пытались заинтересовать людей и предприятия в сборе информации об этом бедствии, но нам неоднократно советовали и даже призывали не собирать таких сведений и, главное, не публиковать их. Со всех сторон мы слышали: «Забудьте об этом», «Чем меньше говорить, тем скорее все будет исправлено», «Не было никакого землетрясения».

Нет никаких сомнений в добрых чувствах и благих намерениях тех людей, кто придерживается такой точки зрения на этот вопрос, и есть разумное оправдание популярному, но ошибочному представлению, распространенному в других частях страны, что все землетрясения – ужасные явления; но людям, интересующимся наукой, нет необходимости говорить, что такое отношение не только ложно, а и в высшей степени неудачно, непростительно, неоправданно и может рано или поздно привести только к путанице и катастрофе.

Рождение современной сейсмологии

Бедствие 1906 г. в Сан-Франциско также еще одна важная веха: оно стало одним из первых землетрясений, широко изученных современными научными методами, а открытия, сделанные после него, легли в основу сейсмологии. Для его изучения губернатор Калифорнии создал авторитетную комиссию из геологов и геофизиков. Этой Комиссией штата по расследованию землетрясения (SEIC) руководил Эндрю Лоусон, легендарный геолог и преподаватель Калифорнийского университета в Беркли (см. главу 22). Группа Лоусона изучила все аспекты великого землетрясения и в 1908 г. представила «Отчет Комиссии штата по расследованию землетрясения» в двух частях, который насчитывал больше 300 страниц. В редактуре принимал участие пионер сейсмологии Гарри Филдинг Рид из Университета Джонса Хопкинса.

Среди авторов отчета были многие светила в области геологии и геофизики того времени. Один из них – Гров Карл Гилберт из Геологической службы США, ряд открытий которого восхищают даже спустя столетие. Во время землетрясения Гилберт оказался в Беркли. Поскольку он несколько дней не мог попасть в Сан-Франциско, то обследовал другие районы в области залива, картографируя и фотографируя возникшие смещения, от залива Томалес до южной границы области и города Сан-Хуан-Баутиста (рис. 23.2А). Больше всего поражала изгородь около Олемы (Калифорния): ее сдвиги показывают огромное количество горизонтальных перемещений вдоль разлома (рис. 23.2B). Гарри Рид использовал землетрясение 1906 г. для разработки сейсмологической теории упругой отдачи, которая принята в наши дни. Другие члены комиссии стали родоначальниками геологического сообщества Калифорнии. Джон Каспер Браннер создал геологический факультет в Стэнфорде, а позднее стал президентом этого университета. Харри Оскар Вуд учредил сейсмологическую лабораторию Калифорнийского технологического института. Франсуа Эмиль Маттес определил топографию многих мест, включая Йосемитский парк и другие национальные парки. Джордж Дэвидсон возглавлял в качестве первого президента Сейсмологическое общество США. Единственный иностранный член комиссии Фусакичи Омори – один из самых известных сейсмологов Японии.

Рис. 23.2 Фотографии повреждений в северной части области залива Сан-Франциско, сделанные Гровом Карлом Гилбертом после землетрясения 1906 г. (А) Трещины в земле (на фото ботаник Элис Иствуд для масштаба). (В) Знаменитый смещенный забор около Олемы (Калифорния). Источники: (А) Предоставлено Геологической службой США. (B) Wikimedia Commons

Эта звездная команда геологов и сейсмологов в своем детальном отчете не только задокументировала воздействие землетрясения на конструкции и пережитые людьми ощущения, но и подробно изложила физические последствия, особенно смещение при разломе и разрыв грунта. В то время еще не было доказано, что разломы приводят к землетрясениям, но отчет 1908 г. разрешил этот вопрос раз и навсегда. Комиссия проследила смещение на всем пути от мыса Дельгада к северу от залива Томалес до города Сан-Хуан-Баутиста и даже упомянула эффекты южнее – вплоть до каньона Уайтуотер возле Палм-Спрингс. Хотя авторы отчета не связывали всю эту активность с разломом Сан-Андреас и не установили, что перемещение в основном было сдвиговым (разломом с перемещением только в горизонтальной плоскости), а не вертикальным, они все же осознали, что Береговые хребты Калифорнии иссечены разломами, включая разлом Хейворд под Оклендом и разлом Сан-Хасинто к западу от Палм-Спрингс. Они также зафиксировали многие связанные между собой явления – например, косейсмические оползни, поднятие и опускание пород земной коры; составили карты повреждений различных сооружений; зафиксировали данные нескольких доступных тогда сейсмографов, а также сведения о предыдущих землетрясениях в Калифорнии. Вторая часть отчета, написанная в основном Ридом, не только включала теорию упругой отдачи, но и заложила основы геофизики землетрясений. Короче говоря, отчет SEIC стал базовым источником для многих разделов современной сейсмологии.

С 1908 г. сейсмологические методы усовершенствовались, и ученым сейчас известно гораздо больше. Чаще всего магнитуду того землетрясения оценивают величиной 7,8. Эпицентр основного толчка находился примерно в 3 км от берега, недалеко от скалы Массел-Рок. Разрыв произошел вдоль разлома Сан-Андреас, протянувшегося с севера на юг, а общая его длина составила 477 км.

В 2006 г. геологическое сообщество отметило столетие землетрясения в Сан-Франциско многочисленными научными форумами и публикациями. Почти все ученые признавали, что угроза не миновала. В 1989 г. на одном участке разлома Сан-Андреас к югу от разрыва 1906 г. произошло уже упоминавшееся землетрясение Лома-Приета^[93], которое нанесло серьезный ущерб Сан-Франциско (в частности, разрушило пролеты моста между Сан-Франциско и Оклендом, а многие дома в районе Марина ушли в землю или сгорели). Еще более опасными считаются крупные разломы в регионе Ист-Бей, особенно разлом Хейворд. В общем, возможность нового стихийного бедствия в Сан-Франциско сохраняется. Давно назревает столь же сильное землетрясение, как в 1906 г., но оно окажется гораздо более катастрофическим – из-за резкого роста населения за прошедшие годы и развития инфраструктуры.

Мифы о землетрясениях

Когда вы кому-нибудь (особенно в Калифорнии) говорите слова «землетрясение» и «разлом», первое, что приходит на ум, – разлом Сан-Андреас. Это самый известный в мире разлом благодаря многолетней разрекламированности его мощных землетрясений, а также фильмам, пусть и низкого качества с научной точки зрения.

К сожалению, знания большинства людей о калифорнийских землетрясениях и разломе Сан-Андреас просто не соответствуют действительности. Во-первых, Калифорния не собирается падать в море. Движения по разлому происходят в горизонтальном направлении, при этом западная сторона (Тихоокеанская плита) смещается на северо-запад относительно восточной стороны (Североамериканская плита). При каждом перемещении по разлому Тихоокеанская плита поворачивается на северо-запад в среднем примерно с такой же скоростью, с какой растут ваши ногти. Иногда она сдвигается всего на несколько сантиметров, а иногда прыгает на десяток метров с лишним. Через 50 млн лет Лос-Анджелес будет соседствовать с Сан-Франциско, а весь этот блок в конце концов вклинится в южную Аляску.

Во-вторых, этот разлом совсем не похож на то, что изображается в сенсационных антинаучных фильмах – таких как «Разлом Сан-Андреас» 2015 г. с Дуэйном Джонсоном или «Землетрясение» 1974 г. с Чарлтоном Хестоном. Не появится больших цунами (разлом Сан-Андреас и сопутствующие ему разломы практически целиком находятся на суше, поэтому не станут вытеснять морскую воду, порождая гигантские волны), не будет сотрясений, которые длятся более минуты, не будет никаких других зрелищных, но выдуманных эффектов, которые можно наблюдать в подобных фильмах. Земля не разверзнется расселиной с глубокой лавовой трещиной, как в фильме «Супермен» 1978 г. с Кристофером Ривом. На поверхности есть только бескрайняя ровная долина, и непонятно, где именно под ней проходит линия разлома, пока не произойдет разрыва. После землетрясений можно увидеть только расселины, вызванные оползнями, которые открывают зазоры между блоками, причем обычно далеко от линии разлома. Сами разломы (в частности, Сан-Андреас) медленно измельчают породы с обеих сторон, заставляя их разрушаться быстрее, поэтому все, что вы можете видеть, – это равнина (часто с несколькими небольшими водоемами во впадинах, где линия разлома задерживает воду). Геологи в Калифорнии наблюдают эту закономерность так часто, что любая равнина считается разломом, если не доказано обратное.

Список мифов и заблуждений можно продолжать и продолжать. Не существует такого понятия, как «пора землетрясений». Тщательный анализ землетрясений практически во всех регионах показывает, что они могут произойти в любой момент и в любое время года, не выбирая жаркую или холодную погоду либо какое-то определенное время суток. Причина в том, что землетрясения происходят на многокилометровой глубине, а ежедневные колебания температуры ощущаются максимум в нескольких футах ниже поверхности.

Гораздо большие проблемы – обостренная реакция и иррациональный страх перед землетрясениями, особенно в Соединенных Штатах. Многие люди боятся их больше, чем других природных катаклизмов. Однако в США землетрясения убивают меньше людей (около 6 жертв в год), чем такие редкие события, как удары молнии или змеиные укусы. В реальности самыми смертоносными бедствиями становятся обыденные неприятности – например, периоды экстремальной жары и сильные метели, которые, безусловно, являются самыми страшными убийцами в Америке. Далее с небольшим отставанием идут ураганы, торнадо и наводнения. Но люди все равно будут выходить в снежную бурю и совершать глупости, которые убивают их во время аномальной жары. Их не парализует страх перед такими опасностями, зато, когда дело доходит до гораздо менее рискованного для них землетрясения, они действуют вопреки здравому смыслу.

Почему? Одна из причин в том, что, в отличие от других событий, связанных с погодой, землетрясения абсолютно непредсказуемы. Есть шарлатаны, которые утверждают, что могут предугадать землетрясения, но более чем полувековой опыт научил сейсмологов тому, что нет двух одинаковых землетрясений, и сигналы, которые способны предупредить нас об одном типе землетрясений, бесполезны для другого, у которого нет таких предвестников. Зато, напротив, мы вполне можем посмотреть прогноз погоды, узнать, не ожидаются ли метели, ураганы, торнадо и наводнения, и как-то подготовиться, чтобы эти явления были не такими пугающими. Другой фактор – это глубокий психологический шок от осознания того, что твердая земля под нашими ногами в действительности не так уж тверда, и это потрясает нас до глубины души.

Это не означает, что в мире нет мест, где землетрясения смертельно опасны. В менее развитых или более старых регионах планеты значительная часть построек – старинные здания, возведенные из простого кирпича на растворе и не укрепленные арматурой, а в сейсмоопасной зоне такой тип сооружений наихудший вариант. Однако люди в большей части подверженного землетрясениям мира продолжают строить эти смертельные ловушки – как из-за недостатка знаний, так и из-за отсутствия других вариантов, таких как деревянный каркас (наилучшая конструкция) или стальной каркас. Вот почему вы слышите о таком количестве жертв во время сильных землетрясений в Турции, Иране, Армении, Непале, Китае или Италии. Однако в Калифорнии закон Филда (принятый сразу после землетрясения в Лонг-Бич в 1933 г.) запрещает подобное строительство, и в этом штате все строения из кирпича на растворе должны быть укреплены арматурой из стальных прутьев, которая не даст дому рассыпаться во время катастрофы. Вот почему вам незачем забивать себе голову мыслями о гибели при землетрясении в Калифорнии или где-либо еще в США. Вместо этого следует серьезно относиться к аномальной жаре, метели или просто к дорожному движению! Эти события убьют вас с гораздо большей вероятностью.

Разлом Сан-Андреас

Почти ничего этого люди не знали в 1906 г., когда произошло землетрясение в Сан-Франциско, а сейсмология находилась в зачаточном состоянии. Показатель того, насколько развилась наука и сколько нового мы узнали, – гигантское количество информации о разломах и землетрясениях, накопленной более чем за сотню лет после трагедии в Городе на заливе.

Разлом Сан-Андреас впервые обнаружил в 1895 г. Эндрю Лоусон – геолог-первопроходец из Калифорнийского университета в Беркли, тот самый человек, который в 1906 г. возглавил комиссию, изучавшую землетрясение в Сан-Франциско. Он назвал разлом не в честь озера Сан-Андреас (как обычно утверждают), а в честь одноименной долины, в которой расположено это озеро (тогда Лагуна-де-Сан-Андреас). После того как комиссия Лоусона 1906 г. задокументировала перемещение во время землетрясения в Сан-Франциско, разлом не только опознали в области залива, но и проследили до Южной Калифорнии, которую меньше задела катастрофа.

В течение следующих нескольких лет геологи наносили на карту все больше и больше фрагментов разлома Сан-Андреас, однако полагали, что он ничем не отличается от любого другого разлома – разве что намного длиннее (рис. 23.3А). В конце концов оказалось, что он простирается более чем на 1300 км – начинается в районе мыса Мендосино и Гуалалы, затем пролегает по морю, пока не доходит до мыса Пойнт-Рейес, далее тянется по диагонали через южную часть Сан-Франциско (преимущественно через Дейли-Сити), непосредственно к западу от Кремниевой долины, под городом Сан-Хуан-Баутиста, а после этого вдоль Береговых хребтов от Холлистера до Паркфилда и до равнины Карризо (рис. 23.3B). Там линия разлома изгибается, проходя практически с запада на восток через северный край Поперечных хребтов, продолжается между хребтами Сан-Гейбриел и Сан-Бернардино по перевалу Кахон, проходит через Сан-Бернардино, Баннинг, Палм-Спрингс и, наконец, уходит по Солтонской впадине к мексиканской границе.

Рис. 23.3 Зона разлома Сан-Андреас (ЗРСА) в Калифорнии. (А) Карта, показывающая основные районы вдоль линии разлома. Составлено по нескольким источникам. (В) С воздуха разлом хорошо виден на равнине Карризо, где он образует длинный прямой шрам со смятыми возвышенностями по сторонам. Источник: Wikimedia Сommons

Во время первоначального картирования самым большим открытием стало то, что разлом Сан-Андреас нес ответственность не только за землетрясение в Сан-Франциско 1906 г., но и за другие важные события. Крупнейшим из таких эпизодов было землетрясение в Форт-Техоне в 1857 г., которое вызвало прорыв огромного (около 350 км) участка разлома от центральной Калифорнии до Форт-Техона (где дорога Грейпвайн и федеральная автомагистраль № 5 пересекают разлом на перевале Техон). За считаные секунды Тихоокеанская плита скакнула на 10 м к северу, полностью разорвав дороги через каньоны и перевалы, – а ведь сегодня через этот сегмент разлома проходит гораздо больше трасс и других составляющих инфраструктуры. Магнитуда землетрясения оценивается величиной 7,9, то есть оно примерно соответствовало по силе землетрясению в Сан-Франциско в 1906 г. с магнитудой 7,8, однако оказалось гораздо менее смертоносным, поскольку не затронуло крупные города. В некоторых случаях толчки могли продолжаться почти 3 минуты – намного дольше, чем в Сан-Франциско.

В 1857 г. на большей части Южной Калифорнии было мало людей: несколько солдат в кавалерийском форте в Форт-Техоне (где разрушились все глинобитные постройки) и незначительное население в немногочисленных старых испанских и мексиканских поселениях вдоль побережья. Однако рухнули многие каменные здания, в том числе некоторые исторические францисканские миссии на всем пути от Санта-Круза до Вентуры и миссии Сан-Габриэль к востоку от современного центра Лос-Анджелеса. Сообщалось только о двух жертвах, причем причиной их гибели стало в основном то, что тогда немногочисленное население жило в маленьких домах.

С тех пор на этом участке разлома Сан-Андреас стало тихо – слишком тихо (как говорят в кино). Большинство сейсмологов считают этот сегмент разлома «заблокированным»: он не может медленно перемещаться при постоянных небольших землетрясениях (как это происходит в Береговых хребтах в центральной Калифорнии и в Солтонской впадине), а вместо этого накапливает напряжение до тех пор, пока оно не сбрасывается разом в мощном землетрясении. В 1970-х и 1980-х гг. сейсмологи вырыли траншеи через отложения в водоемах, которые веками накапливались в долине разлома. В Паллетт-Крик удалось найти слои возрастом почти 2000 лет. В разрезах этих траншей наблюдались слои, нарушенные землетрясениями, а затем покрытые более поздними ненарушенными слоями. С помощью радиоуглеродного датирования кусков древесного угля в слоях сейсмологи смогли определить возраст землетрясений, которые происходили между этими слоями, и восстановили историю сейсмической активности на разломе. На основе этих анализов было показано, что отложения охватывают последние 2000 лет активности на данном участке разлома Сан-Андреас. Первоначальное датирование выявило период повторяемости 137 ± 8 лет; результатом более позднего исследования стал показатель интервала 145 ± 8 лет. Если вы учтете, что в 2017 г. исполнилось уже 160 лет с момента землетрясения в Форт-Техоне 1857 г., то сможете понять, почему сейсмологи так обеспокоены этим участком Сан-Андреаса. При следующем сдвиге за секунды произойдет, вероятно, смещение примерно на 10 м – как и в 1857-м. Это и будет то самое «большое землетрясение», которого так долго со страхом ждут все жители Южной Калифорнии.

Поразительный сдвиг

В течение многих лет, прошедших после землетрясения в Сан-Франциско 1906 г., геологи рассматривали разлом Сан-Андреас просто как некую протяженную структуру, смещение которой в долгосрочной перспективе составляет не более нескольких десятков метров. Да, это очень длинный разлом, но его сдвиг не казался чем-то необычным. Тем не менее мощный удар по такому представлению нанесло самое базовое из геологических умений – простое и старомодное полевое картирование. Люди, сделавшие открытие, о котором пойдет речь, принадлежали к числу самых удивительных геологов всех времен.

Одним из них был Томас Диббли, который занимался полевым картированием более 60 лет. Он умер в 2004 г., когда ему было 93, но даже в возрасте под 90 он все еще работал, хотя двигался не так быстро, как в молодости. Мне посчастливилось несколько раз встречаться с ним и общаться. Он был потомком мексиканского офицера, командовавшего фортом Санта-Барбара, и вырос на ранчо Сан-Хулиан среди холмов на западе округа Санта-Барбара. Когда однажды на семейное ранчо приехал геолог-нефтяник, искавший предполагаемые нефтеносные структуры, у юного Тома (тогда старшеклассника) зародился интерес к геологии. В 1936 г. он получил геологическое образование в Стэнфорде, затем работал в Калифорнийской службе горнодобычи и геологии, публикуя множество отчетов о месторождениях ртути и о других проектах. Затем Том работал для Union Oil Company и Richfield Oil (ныне ARCO) и обнаружил крупные нефтяные месторождения, первым проведя полевое картирование хребтов Темблор, Кальенте, Сан-Эмигдио и южной части хребта Дьябло, равнины Карризо, районов Каямы, Салинаса и Империал-Вэлли, гор Санта-Круз, района реки Ил-Ривер, территорий на западе Орегона и в Вашингтоне. В 1952 г. Том присоединился к Геологической службе США и до 1967 г. занимался базовым картированием пустыни Мохаве, где изучил больше обнажений и сделал больше открытий, чем кто-либо до него. После завершения этого проекта он перешел к Береговым хребтам в Калифорнии, а затем, закончив в 1977 г. работу в Геологической службе, закартировал еще около 7800 кв. км прибрежной Калифорнии для Лесной службы США. В общей сложности Диббли нанес на карту почти четверть Калифорнии, или около 100 000 кв. км, охватив бо́льшую территорию, чем сделал это кто-либо когда-либо.

О Диббли и его методах ходит множество легенд. Он отличался феноменальной выносливостью и даже в 70–80 лет мог ходить быстрее и дальше, чем люди втрое моложе его. Его интересовало только рекогносцировочное картирование, поэтому он не ходил и не осматривал каждый пятачок какого-нибудь квадранта^[94], а использовал выемки дорог, вершины гор и хребтов, по которым мог видеть общую картину. Позднее геологи часто приходили к выводу, что детали были сложнее, чем представлялось Тому, но это был необходимый компромисс – Диббли сосредотачивался на рельефе в целом, а не на подробностях.

Основную часть времени он занимался картированием в крайне отдаленных районах, запасаясь едой и водой на неделю. Ночью укрытием от дождя и ветра для него становилась старенькая побитая машина. Он укладывался спать на сиденье, открыв одну дверцу и выдвинув наружу доску, на которую клал ноги. Такое простое устройство лагеря посреди рабочего участка (не требовалось преодолевать много километров, возвращаясь в городскую гостиницу) позволяло ему при минимуме затрат охватить огромное пространство. Он был известен своей экономностью и неприхотливостью – даже по сравнению с другими геологами, тоже вынужденными работать с ограниченным бюджетом. Один из его начальников в компании Richfield Oil, ошарашенный счетом по какому-то геологосъемочному проекту всего на 14,92 доллара, сказал, что не может представить, как удается прокормить себя на такую малую сумму. Том ответил: «О, в горах я нахожу много того, что люблю есть». Каковы бы ни были достоинства его предварительного картирования, любой геолог в Калифорнии действует в его тени и обычно начинает с копии карт Тома, чтобы выяснить, что уже известно, а с чем нужно разобраться. К счастью, после его смерти многочисленные коллеги-геологи и сторонники создали Геологический фонд Диббли, где хранятся все его распечатанные цветные карты, так что их можно в любое время заказать в интернете.

Еще одним легендарным калифорнийским геологом был Мейсон Хилл, которого друзья называли Мейзом. Он вырос в Помоне (Калифорния) и учился в Помонском колледже, где его увлек геологией легендарный ученый Альфред Освальд «Вуди» Вудфорд. После чистки картофеля в качестве полевого помощника Вуди Мейсон Хилл в 1926 г. окончил колледж, поработал на золотом руднике Блэк-Хок, затем в компании Shell Oil, затем окончил еще Клермонтский колледж и Калифорнийский университет в Беркли. Там он провел и описал первое полное исследование геологии хребта Сан-Гейбриел. Далее он перешел в Висконсинский университет, где в 1934 г. получил докторскую степень, занявшись механикой разломов.

В 1936 г. Хилл начал работать в компании Richfield Oil, где познакомился с Томом Диббли. Впоследствии они неоднократно сотрудничали – Хилл, в частности, использовал карты Тома, чтобы разобраться с «ощущением смещения» в слабо проявленных разломах, и по ходу работы обнаружил много нефтяных месторождений под скрытыми от глаз надвигами. Он трудился в «Ричфилде» до конца своей карьеры, достигнув перед выходом в отставку должности главного геолога. Хилл ввел стандартную терминологию для сдвиговых разломов, сделал ряд открытий в районе Норт-Слоп на Аляске и внес основной вклад в труд «Геология Южной Калифорнии», опубликованный Калифорнийской службой горнодобычи и геологии в 1954 г. Окончательно Хилл ушел на пенсию в 1969 г. после многих лет работы не только в Atlantic Richfield (ARCO), но и во многих других профильных организациях.

Диббли и Хилл видели больше геологических особенностей Калифорнии, чем кто-либо в прошлом и, вероятно, в будущем. К 1953 г. они пришли к удивительному выводу, который изложили в знаменательной статье: со времен юрского периода (всего 140 млн лет назад) смещение разлома Сан-Андреас составило сотни километров. Большинство геологов ранее утверждали, что разлом смещался в лучшем случае не более чем на несколько километров.

Как же Хилл и Диббли пришли к такому поразительному заключению? Во время картирования Диббли обнаружил, что на одной стороне разлома Сан-Андреас встречаются комплексы пород, которые четко совпадают с породами на противоположной стороне, но при этом «двойники» находятся на расстоянии многих миль друг от друга (рис. 23.4). Хилл, в свою очередь, использовал свои навыки анализа разломов, чтобы распознать признаки перемещения деформации такого типа. В частности, они нашли совпадения пород позднего миоцена (всего 7 млн лет назад), которые находились на расстоянии 100 км друг от друга, пород раннего миоцена (не более 20 млн лет назад), находившихся на расстоянии 280 км друг от друга, и пород поздней юры (около 150 млн лет назад) на расстоянии примерно 480 км. Если бы вы могли переставить блок Калифорнии, лежащий к западу от разлома Сан-Андреас, в его «юрское» положение, то увидели бы, что этот блок начинался значительно южнее нынешней мексиканской границы и продвинулся за прошедшее время на огромное расстояние.

Рис. 23.4 Смещение разных точек соответствия вдоль разлома Сан-Андреас в разные моменты в геологическом прошлом, показывающее, что в юрском периоде (врезка в верхней части) бо́льшая часть западной Калифорнии находилась южнее нынешней границы с Мексикой. Предоставлено Калифорнийской службой горнодобычи и геологии, Geology of Southern California, Bulletin 170 [1954]

Естественно, такую эпатажную идею тут же оспорили многие геологи. Они сомневались в том, что сходство между сдвинувшимися комплексами с обеих сторон настолько хорошо выражено, или в точности датировки этих комплексов. Однако после 1953 г. обнаруживалось все больше и больше совпадений, подтверждавших смелое предположение Хилла и Диббли. Например, эффектные породы в Национальном парке Пиннаклс в центральной части Береговых хребтов (рис. 23.5) – это вулканические лавы, извергнутые примерно 23 млн лет назад. С северо-восточной стороны они обрубаются разломом Сан-Андреас, и им соответствуют вулканические породы потухшего Нинаха в западной части пустыни Мохаве к западу от Палмдейла, находящиеся на расстоянии более 313 км. На это расстояние «двойники» переместились всего за 23 млн лет.

Рис. 23.5 Смещение пород Национального парка Пиннаклс и их соответствие породам вулкана Нинах в пустыне Мохаве. Предоставлено Геологической службой США

Эоценовый песчаник Бутано к северу от Санта-Круза соответствует песчанику Пойнт-оф-Рокс в хребте Темблор, что говорит о смещении примерно на 354 км, произошедшем за 40 млн лет. Почти такое же смещение отмечается для эоценового сланца Пелона в северной части хребта Сан-Гейбриел и его «двойника» – сланца гор Орокопия восточнее озера Солтон-Си. Палеоценовые породы хребта Ла-Панза в центральной Калифорнии соответствуют формации Сан-Францискито в Поперечных хребтах (рис. 23.4).

Когда добираетесь до более древних пород, смещение становится еще более удивительным. Меловые породы блока Гуалала к северу от Пойнт-Арена соответствуют породам в Поперечных хребтах, доказывая, что они передвинулись на 514 км примерно за 100 млн лет. А юрский фундамент под блоком Гуалала совпадает с фундаментом Сьерры, что заставляет предположить перенос на 560 км примерно за 140 млн лет.

Эту удивительную версию, рассказывающую, насколько далеко ушла западная половина Калифорнии, было весьма трудно проглотить в 1950-х и 1960-х гг., даже несмотря на то, что чем больше геологи проверяли гипотезу, тем весомее становились доказательства. Никто не мог вообразить такой огромный горизонтальный сдвиг в разломах или блоки, перемещающиеся на сотни километров по неподвижной континентальной коре. Но все изменилось с рождением нового научного представления – признания тектоники плит.

Трансформации в трансформном разломе

На заре развития тектонической теории происходило взаимообогащение многих творческих умов, прежде всего в нескольких передовых институциях, таких как Кембриджский университет, Геологическая обсерватория Ламонт-Доэрти, Принстонский университет и Институт океанографии Скриппса. В 1965 г. все эти исследователи оказались в Кембридже. Канадский геофизик Джон Тузо Вильсон проводил там свой годичный отпуск, Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз решали проблему спрединга морского дна и магнитных аномалий (глава 21), Гарри Хесс был приглашен в Кембридж из Принстона, сэр Эдвард Буллард корректировал представления о совпадениях между континентами и занимался физикой движения плит земной коры по земной сфере, а такие блестящие исследователи, как Дэн Маккензи, Джон Склейтер и Роберт Паркер, работали над ключевыми проблемами тектоники плит в качестве кембриджских аспирантов. Вильсон обратился к идее дрейфа континентов еще в 1960 г., а в 1963-м опубликовал поворотную во многих отношениях статью, показывающую, что Гавайские острова образовались, когда Тихоокеанская плита проходила над какой-то неподвижной горячей точкой в мантии. Сейчас над горячей точкой находится Большой остров (остров Гавайи), и вулкан Килауэа на нем все еще активен. Что касается других островов архипелага, то чем дальше находится остров в цепочке, уходящей на северо-запад, тем он старше: вулканы образовывались и извергались, когда находились над горячей точкой, но извержения прекращались, когда они ее миновали. В главе 17 рассказывалось, как Вильсон понял, что доказывают перемещенные трилобиты и другие окаменелости по обе стороны Атлантики: Прото-Атлантический океан закрывался, а затем снова открылся по другой линии.

В 1965 г. Вильсон участвовал в первых теоретических исследованиях движения плит относительно друг друга. Вдохновляясь идеями Булларда, Маккензи, а также австралийского геолога Сэмюела Уоррена Кэри (который был сторонником теории расширяющейся Земли), Вильсон пришел к мысли, что границы плит бывают трех основных типов. Вайн, Мэтьюз и Хесс разработали концепцию спрединга морского дна – они определили места, где плиты расходятся (глава 21). Обычно это происходит на срединно-океанических хребтах, и к 1965 г. данная идея стала уже более доходчивой. Холмс, Хесс и другие ученые также постулировали, что плиты земной коры сближаются, и при этом одна погружается под другую (глава 22).

Именно тогда Вильсон осознал, что если материал новой плиты извергается из срединно-океанического хребта в одной части земного шара и медленно перемещается к месту своего разрушения в желобе в другой части планеты, то должен существовать и третий тип границы плит, где они не разделяются и не сталкиваются, а просто скользят мимо друг друга. Такие границы Вильсон назвал трансформными разломами, потому что они транспортируют (или «трансформируют») плиту с одного места на другое. Движение на этой границе сдвиговое, то есть происходит в основном по горизонтали, почти без вертикального перемещения, и сжатие или разъединение совсем невелико. Глядя на быстро заполнявшуюся карту плиточных границ, Вильсон увидел, что большинство срединно-океанических хребтов разбиты на сегменты короткими поперечными разломами, по которым происходит их смещение. Это были первые случаи рассмотренных им трансформных разломов. Он также показал, почему в срединно-океанических хребтах такие разломы не могут не появляться: они необходимы, чтобы согласовать различия в перемещениях плит при их вращательном движении по сферической поверхности Земли.

Однако при внимательном взгляде он заметил, что на планете множество примеров огромных сдвиговых разломов, которые до сих пор оставались загадкой. Всякий раз такой трансформный разлом оказывался связующим звеном между границами плит двух других типов, например, при соединении двух спрединговых хребтов или хребта и желоба. Он разработал все возможные геометрические вариации трех взаимодействующих границ плит и указал реальные примеры для многих из таких разновидностей.

Затем Вильсон подступил к самой большой тайне – разлому Сан-Андреас (рис. 23.3А). И, разумеется, он смог показать, что этот разлом начинался на северной оконечности Восточно-Тихоокеанского поднятия – спредингового хребта, который идет от побережья Южной Америки, достигая центра Калифорнийского залива. Сан-Андреас взял на себя спрединг земной коры от этого хребта, соединив его с другим хребтом и трансформной системой к северу, на мысе Мендосино.

Эксцентричные перемещения, предложенные в 1953 г. Хиллом и Диббли, внезапно обрели смысл. Они оказались прямым результатом движения плит по поверхности планеты. А разлом Сан-Андреас просто воспринимает движение Тихоокеанской плиты на северо-запад, чтобы погрузиться в зоне субдукции под Алеутской дугой, а также во всех прочих зонах субдукции в западной части Тихого океана.

Тайна была раскрыта.

24. Средиземноморье было пустыней
Мессинские эвапориты

Мы связаны с океаном. И когда мы возвращаемся к морю – чтобы плыть или смотреть на него, – мы возвращаемся туда, откуда вышли.

Джон Ф. Кеннеди

Из пепла бедствия…^[95]

К концу 1940-х – началу 1950-х гг. стала стремительно развиваться морская геология. Океанографические суда из Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти в Нью-Йорке, Океанографического института Вудс-Хоул в Массачусетсе и Института океанографии Скриппса открыли длившийся более 30 лет период плаваний по всему миру, собирая любые доступные крупицы информации об океанах. Год за годом океан открывал свои тайны. Регулярные пробы воды на всех уровнях показывали ее температуру и химический состав. Эхолоты и гидролокаторы постепенно расшифровывали глубины и форму дна. Сбрасывание динамита с кормы судов и фиксация звуковых волн, отражающихся от слоев под морским дном, обнаруживали неглубоко залегающие структуры. Длинные стальные трубы, называемые поршневыми пробоотборниками, погружались в отложения на морском дне и брали цилиндрические керны величиной до 10 м – но не больше. Каждый раз, когда ученые пытались опустить стальную трубу существенно дальше, появлялись проблемы, поэтому летопись осадочных пород была относительно короткой и в основном представляла собой отложения последнего миллиона лет ледникового периода.

На тот момент сейсмологи уже более 60 лет определяли структуру земных недр по тому, как волны от сильных землетрясений отображались на сейсмографах. По изменениям сейсмических волн они выяснили структуру ядра и мантии, температуру и плотность каждого из слоев, а также узнали, что внешнее ядро нашей планеты жидкое.

Одно из первых открытий в этой области сделал в 1909 г. хорватский ученый Андрия Мохоровичич. Глядя на сейсмограммы, на которых были видны волны, приходящие из верхней части земной мантии и коры, он заметил резкое изменение скорости между волнами, распространявшимися только через кору, и теми, что добирались до мантии, а затем возвращались к сейсмографам обратно через кору. Вычисляя уровень глубин, сквозь которые проходили эти сейсмические волны, Мохоровичич установил, что между корой и верхним слоем мантии должна существовать заметная разница в плотности, а следовательно, и четкая граница. Позднее сейсмологи подтвердили это предположение, и граница между корой и мантией теперь называется поверхностью Мохоровичича. Поскольку это название труднопроизносимо, то геологи для краткости говорят просто Мохо.

К концу 1940-х гг. сейсмологи определили толщину земной коры во многих частях мира. Они обнаружили, что океаническая кора относительно тонка – всего около 10 км ее покрывает мантию. Континентальная кора, напротив, как минимум в 5–15 раз толще – от 50 до 150 км. Таким образом, если мы хотим сделать скважину, чтобы получить образец мантии, то лучше всего бурить самую тонкую часть океанической коры.

Эта идея заинтересовала известного морского геофизика Уолтера Манка (рис. 24.1). Манк родился в 1917 г. в Вене, а в 1932 г. семья, перебравшаяся к тому времени в США, отправила его учиться в школу в штате Нью-Йорк, надеясь, что он займется банковским делом. Хотя молодой Уолтер ненавидел это занятие, он все же работал несколько лет в семейном бизнесе, учась при этом по вечерам в Колумбийском университете. Затем он перешел в Калтех и в 1939 г. получил степень бакалавра прикладной физики, а в 1940-м – степень магистра геофизики. Манк стал аспирантом в Институте Скриппса, однако началась Вторая мировая война, и он пошел добровольцем в армию. Впрочем, американские военные оценили пользу от его знаний океана, поэтому Манк служил в исследовательской группе, которая помогала определять идеальные условия прилива и прибоя для высадки союзников в Северной Африке, на Тихом океане и в День Д. В 2009 г. Манк рассказывал: «Высадка в Нормандии известна тем, что погодные условия были очень плохими, и вы, возможно, не знаете, что генерал Эйзенхауэр отложил ее на 24 часа из-за преобладавших волновых условий. А затем он решил, что лучше высаживаться, несмотря на неблагоприятные условия, чем потерять элемент внезапности в случае ожидания следующего приливного цикла через две недели». Ученый также сыграл немаловажную роль, консультируя военных по вопросам преобладающих приливных течений и ветровых условий, которые могли повлиять на испытание водородной бомбы на атолле Бикини.

Рис. 24.1 Уолтер Манк, получающий премию Крафорда – «Нобелевскую премию» в области геологии. 2010 г. Источник: Wikimedia Сommons

После войны Манк вернулся в аспирантуру и в 1947 г. получил докторскую степень в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а затем стал работать в Институте Скриппса, с которым связал дальнейшую карьеру. Он способствовал созданию в этом центре Института геофизики и планетарной физики и участвовал во многих океанографических экспедициях. Одним из самых важных его открытий стало определение того, как пассаты порождают замкнутую циркуляцию воды в умеренных и тропических широтах. Он также продемонстрировал, что приливные силы связали Луну с Землей и что одна лунная сторона всегда обращена к нашей планете. Однако известнее всего его вклад в развитие такого научного направления, как прогнозирование прибоя.

Самый амбициозный проект Манка (в сотрудничестве с Гарри Хессом из Принстона) – попытка добраться до мантии Земли, пробурив дно океана. В 1952 г. по инициативе Хесса и Манка группа ученых (включавшая, в частности, Мориса «Дока» Юинга, главу Обсерватории Ламонт, и Роджера Ревелла, директора Института Скриппса) создала AMSOC^[96] – неформальное междисциплинарное сообщество, с целью консультировать правительство по вопросам выгоды и осуществимости разнообразных научных проектов. В 1956 г. эти выдающиеся люди привлекли консорциум нефтяных компаний CUSS (Continental, Union, Superior и Shell) к масштабному замыслу: пробурить океаническую кору с судна и добраться до мантии. В итоге проект был передан тогда еще молодому Национальному научному фонду (NSF), работавшему в сотрудничестве с консорциумом CUSS. Проект получил название «Мохол» (от англ. hole – «дыра», «скважина» и Мoho, то есть имелось в виду «Скважина до поверхности Мохоровичича») и отличался не менее грандиозной программой, чем космическая гонка, которая началась в 1957 г. в ответ на запуск первого спутника в СССР.

Испытания прошли возле Института Скриппса, а затем в марте 1961 г. началось пробное бурение у мексиканского острова Гуадалупе. «Мохол» заключил контракт с компанией Global Marine из Лос-Анджелеса на использование ее новейшего бурового судна CUSS 1. Оно стало первым кораблем, которое нефтяные компании построили для бурения дна океана в поисках новых нефтяных месторождений: ни одно предприятие в одиночку в то время не могло бы это осуществить.

Сотрудничество между NSF и консорциумом CUSS было взаимовыгодным. Ученые пожинали плоды результатов исследований, а нефтяные компании эксплуатировали новые шельфовые ресурсы. Бурение было сложным делом: прежде чем добраться до дна океана, приходилось пройти 3600 м морской толщи. Самая глубокая из пяти пройденных скважин достигала 183 м. Из нижней призабойной части этой скважины были отобраны пробы базальта океанической коры длиной всего лишь 14 м. В первом рейсе не намеривались продвигаться намного глубже, поскольку предполагалось, что это пилотная экспериментальная стадия для проверки самой возможности бурения в океане. Однако у проекта «Мохол» так и не оказалось шанса повторить попытку. Вмешалась политика. Когда ответственность за управление проектом перешла к NSF, AMSOC распалось и появилась масса трудностей. Конгресс в такой ситуации решил прекратить финансирование. «Мохол» сочли неудачным проектом.

…Растут розы успеха

Между тем трудности бурения через твердый базальт выявили еще кое-что: верхние 159 метров были легко пройдены, так как бур погружался в мягкие океанические илы и раковины планктона миоценового возраста. Эти глубоководные керны дали ученым первую качественную летопись океанических отложений, которую нельзя было составить путем обычного отбора кернов морского дна с помощью стальных труб, сброшенных с научного судна. Хотя к 1966 г. «Мохол» потерял популярность и лишился финансирования, ученые и нефтяники, получившие связанный с ним опыт, обрели понимание, что бурение слоев океанических осадков относительно простая и очень ценная процедура. Действительно, нефтяные компании интересовались только осадочными породами, поскольку именно в них формировалась и залегала нефть; твердая базальтовая лава под этими отложениями была добытчикам ни к чему. Ученые же осознали, что бурение осадочных пород по всему миру может рассказать подробную историю всех океанов и разных их изменений на протяжении многих миллионов лет. В отличие от летописи наземных отложений, которая скудна и эпизодична, илы и раковины планктона, опускающиеся с поверхности океана на морское дно, обеспечивают практически непрерывную хронику земной истории с небольшими пропущенными временны́ми интервалами.

К июню 1966 г. Институт Скриппса и консорциум уже других нефтяных компаний стали реализовывать Проект глубоководного бурения (DSDP), спонсируемый совместно NSF и частными нефтяными структурами. В октябре 1967 г. началось строительство судна Glomar Challenger (рис. 24.2) – более совершенного, нежели CUSS 1. Название нового корабля было образовано от названия судостроительной компании Global Marine, Inc. (сокращенно Glomar), а также увековечивало знаменитое британское парусно-паровое судно Challenger, которое с 1872 по 1876 г. совершило кругосветное плавание в рамках первой в мире океанографической экспедиции. «Гломар Челленджер», спущенное на воду 23 марта 1968 г., было 120 м в длину и 20 м в ширину и могло двигаться со скоростью 22 км в час, совершая плавания продолжительностью до 3 месяцев. Увенчанное 60-метровой буровой вышкой, оно было способно выполнять бурение на морских глубинах до 6100 м, а буровая колонна позволяла пройти скважину до 800 м в осадочных породах морского дна.

Рис. 24.2 Океанографическое буровое судно Glomar Challenger («Гломар Челленджер»). Источник: UC San Diego Library

Судно совершило два пробных рейса в Мексиканском заливе для проверки работоспособности. Третья экспедиция стала первым настоящим научным исследованием, и, естественно, ученые решили обратиться к самой жгучей геологической идее того времени и узнать, реален ли спрединг – расширение морского дна. Судно отправилось в Южную Атлантику и взяло серию кернов по обе стороны Срединно-Атлантического хребта. Действительно, отложения в нижней части каждого керна оказались тем старше, чем дальше породы находились от хребта; это доказывало, что морское дно действительно расширяется (см. главу 21).

В течение 15 лет до 1983 г. «Гломар Челленджер» использовался почти непрерывно, поучаствовав в 96 экспедициях, или «этапах». Он прошел 695 670 км, пробурил 624 скважины на морском дне и извлек из них 19 119 кернов. В ходе этих исследований ученые получили поразительную летопись истории Мирового океана, которая дала ответы на множество загадок – от причин ледниковых периодов (см. главу 25) и вымирания динозавров (см. главу 20) до вопроса, как именно океанические течения влияли на климат планеты в течение последних 150 млн лет. Многие считают эти экспедиции одним из важнейших достижений в истории науки и, безусловно, самым важным в морской геологии и океанографии.

Однако постепенно оборудование на судне износилось и устарело, поэтому его списали и бесцеремонно пустили на металлолом. Это было позорное решение, потому что «Гломар Челленджер» как научный инструмент имел такое же историческое значение, как телескопы обсерватории Маунт-Вилсон, применявшиеся для исследования расширяющейся Вселенной, или циклотроны, использовавшиеся для развития всей современной ядерной физики. В 1985 г. «Гломар Челленджер» уступил место более совершенному судну JOIDES Resolution, которое с тех пор прошло 572 574 км, провело 111 экспедиций и пробурило 1797 скважин, взяв 35 772 керна. Хотя JOIDES Resolution все еще на плаву после долгих лет службы, сейчас оно чаще используется для образовательных целей – проведения семинаров, видеоконференций и других мероприятий.

Теперь океанским бурением занимается огромное японское судно Chikyū Maru (в переводе на русский «Корабль Земля») (рис. 24.3). Его начали строить в 2002 г., а первый выход в море и первые буровые работы прошли в 2007 г. К сожалению, «Тикю» было повреждено во время цунами 2011 г., когда оно сорвалось со швартовов и столкнулось с причалом. Судно настолько велико – длина 210 м, ширина 38 м, буровая вышка поднимается на 130 м над уровнем моря (выше статуи Свободы или арки «Ворота на Запад» в Сент-Луисе), – что ему дали прозвище Годзилла. На «Тикю» есть собственная вертолетная площадка, дальность плавания превосходит 27 000 км. На судне работает больше 200 человек, включая 100 членов экипажа. «Тикю» может бурить скважины глубиной более 10 000 м. 6 сентября 2012 г. судно превысило мировые достижения, пробурив скважину и взяв образцы горных пород с глубины 2111 м ниже морского дна недалеко от полуострова Симокита в Японии в северо-западной части Тихого океана. 27 апреля 2012 г. скважина «Тикю» добралась до отметки 7740 м ниже уровня моря, и это тоже мировой рекорд глубоководного бурения.

Рис. 24.3 Буровое судно Chikyū Maru. Источник: Wikimedia Сommons

Возвращаясь под конец к проекту «Мохол», добавлю, что в ближайшем будущем «Тикю» планирует добраться до мантии Земли.

Фрагмент головоломки № 1: Сцилла и Харибда

Одно из самых примечательных мест в мире – Мессинский пролив между Сицилией и материковой Италией, размер которого в самом узком месте составляет 3,1 км. Он оказывает большое влияние не только на существование обитателей Средиземного моря, но и на жизнь наземную. В этом узком проходе встречаются необычная морская флора и фауна (включая глубоководных рыб-гадюк, которых время от времени выносит на поверхность), к тому же через него проходит важный миграционный путь практически для всех птиц, летящих из Африки через Сицилию в Европу и обратно. Во время весенней миграции здесь обычно регистрируют представителей около 300 видов пернатых, а как-то за одну миграцию зафиксировали рекордное количество хищных птиц – 35 000.

Пролив был известен уже в Античности. Он упоминается в мифе о Ясоне и аргонавтах и в сочинениях Эзопа. Один из старейших рассказов о нем содержится в «Одиссее» Гомера. Когда корабль Одиссея проходил пролив, он столкнулся с двумя опасностями: на скале с итальянской стороны жило шестиглавое чудовище Сцилла, а на сицилийской стороне пролива обитала Харибда – олицетворение гигантского водоворота, который затягивал суда (рис. 24.4). Проход был настолько узким, что ни одно судно не могло пройти безопасно; можно было лишь выбрать, к какой из угроз приблизиться. По совету волшебницы Цирцеи Одиссей предпочел проплыть около Сциллы, потеряв из-за чудовища несколько матросов, но избегнуть водоворота. Если обратиться к бессмертным строкам Гомера, Цирцея выразилась так:

К Скиллиной ближе держася скале, проведи без оглядки

Мимо корабль быстроходный: отраднее шесть потерять вам

Спутников, нежели вдруг и корабль потопить, и погибнуть

Всем^[97].

Рис. 24.4 Мифологический сюжет прохождения между Сциллой и Харибдой стал распространенной метафорой сложного выбора. Например, на этой британской политической карикатуре 1793 г. плывущая между Сциллой и Харибдой женщина олицетворяет Великобританию, которой управляет премьер-министр Уильям Питт. Подпись гласит: «Судно Конституции избежало Скалы Демократии и Водоворота Произвола Власти». Питт направляет кораблик «Конституция» к замку под флагом с надписью «Гавань общественного счастья». Лодку преследуют политические и общественные деятели Ричард Бринсли Шеридан, Чарльз Джеймс Фокс и Джозеф Пристли, изображающие акул или собак Сциллы. Источник: Wikimedia Сommons

Затем, когда Одиссей приближается к скале, где жила Сцилла, головы чудовища хватают с палубы шестерых спутников героя. В «Одиссее» так описывается этот момент:

Так трепетали они в высоте, унесенные жадною Скиллой.

Там перед входом пещеры она сожрала их, кричащих

Громко и руки ко мне простирающих в лютом терзанье^[98].

Благодаря целым поколениям, на протяжении многих лет изучавшим классическую литературу, выражение «между Сциллой и Харибдой» вошло в язык как идиома, означающая необходимость делать трудный выбор между двумя плохими вариантами, подобно выражениям «меж двух огней» или «между молотом и наковальней»^[99].

Гомеровский миф не был полной выдумкой. У изрезанного штормами побережья с итальянской стороны много подводных скал, что, возможно, привело к легенде о Сцилле. Знаменитый мыс на берегу Калабрии называется Скалой Сциллы – предполагается, что именно тут располагалась пещера чудовища. Харибда вообще не миф. Из-за необычной циркуляции и сильного приливного течения через узкое место пролива на его сицилийской стороне часто возникает большой водоворот. Пусть он не так велик, как мифическая Харибда, которая могла проглотить целый греческий корабль, но вполне реален и по-прежнему опасен для лодок.

В геологии у названия Мессина свои особые коннотации. В XIX в. геологи, впервые работавшие в Сицилии около Мессины, обнаружили аномальные по мощности отложения гипса и соли (рис. 24.5). Эти минералы обычно образуются при испарении воды в озерах или морских бассейнах, и для появления всего нескольких сантиметров соли или гипса должно испариться много воды. В некоторых местах в окрестностях Мессины залежи соли и гипса достигали толщины более 1500 м, а это говорило о том, что здесь должны были исчезнуть колоссальные объемы морской воды. Жители Сицилии с античных времен разрабатывали эти залежи соли и отправляли ценный товар по всему древнему миру.

Рис. 24.5 Мощные отложения соли и гипса с прослойками морских илов в Мессинском проливе. Источник: Alamy / Legion Media

Когда геологи занялись этими отложениями, то сначала не могли объяснить их появление. Но в 1867 г. Карл Майер-Эймар провел их детальное исследование и обнаружил несколько важных подсказок. В слое непосредственно над верхним пластом соли и гипса он нашел окаменелости, которые указывали, что эти илы образовались в солоноватых лагунах, где вода по химическому составу была между пресной и морской. Окаменелости также свидетельствовали, что эти слои относятся к позднему миоцену. Сразу над солоноватым слоем находились отложения глубоководных илов, образованных прозрачными холодными водами нормальной солености. Они в свою очередь покрывали отложения, ставшие результатом испарения на поверхности. Эта мощная толща эвапоритов^[100] стала основой для мессинского яруса позднего (или верхнего) миоцена в Европе, а глубоководные илы над ним послужили базой занклийского яруса раннего плиоцена.

Впоследствии в Средиземноморье было найдено много других примеров массивных пластов соли и гипса, соответствующих позднему миоцену. Но никто не мог объяснить, как именно они сформировались и почему в то время образовалось так много эвапоритов.

Фрагмент головоломки № 2: Большой каньон Нила

Нил – могучая сила природы и самая длинная река в мире. Зародившись в нагорьях Кении и в озере Виктория, Нил проходит 6853 км до устья в Средиземном море. Вторую половину пути он протекает через суровые пустыни Судана, Эфиопии и Египта, принося жизнь в регионы, где нет воды.

Когда в верховьях Нила идут сильные дожди, в долине реки начинаются масштабные разливы, стирающие с лица земли все маленькие деревни в пойме. В то же самое время эти наводнения несут в пойму свежий ил и органические вещества, создавая богатейшие почвы. Благодаря Нилу и его плодородным равнинам в Древнем Египте более 6000 лет назад возникла одна из древнейших цивилизаций мира. Как писал греческий историк Геродот, «Египет – это дар Нила». Многие века египтянам приходилось справляться с ежегодными разливами реки, чтобы использовать ее щедрость в сельском хозяйстве, и они весьма преуспевали в этом. Египетский календарь также был привязан к Нилу: в нем выделяли три сезона – Ахет («половодье, разлив»), Перет («период созревания») и Шему («время жары»). Тысячи лет Египет был житницей Древнего мира: здесь получали огромные урожаи зерна, а позднее выращивали знаменитый египетский хлопок. Ежегодные наводнения влекли гибель людей и уничтожение имущества, но египтяне принимали это как неизбежное.

В 1954 г. египетские военные совершили переворот, свергнув коррумпированный монархический режим короля Фарука. Во главе армии стоял честолюбивый офицер Гамаль Абдель Насер. Будучи амбициозным и харизматичным правителем, он вскоре счел себя лидером всех мусульманских стран Ближнего Востока. В разгар холодной войны Насер пытался сохранять строгий нейтралитет в отношениях с Соединенными Штатами, Великобританией и их союзниками, с одной стороны, и Советским Союзом, Китаем и коммунистическим блоком – с другой. Когда ему понадобилась помощь, Насер обратился сначала к США, но президент Эйзенхауэр и глава ЦРУ Джон Фостер Даллес соглашались предоставить ему оружие только для оборонительных целей и с американскими военными советниками в придачу. От таких условий Насер отказался. В 1955 г. на отношения с Америкой стали негативно влиять стычки Египта с Израилем, и Насер попросил помощь у руководителя Советского Союза Никиты Хрущева.

В 1956 г. Насер национализировал Суэцкий канал, чтобы собрать деньги для строительства плотины на Ниле. Это спровоцировало мировой кризис^[101]. Великобритания, Франция и Израиль вторглись в Египет, и мир чуть не вступил в войну, но в конце концов из-за давления главным образом США и СССР войска были выведены. С тех пор Египет контролирует канал.

Когда в 1958 г. все улеглось, Советский Союз пообещал предоставить кредит на строительство плотины в городе Асуан, которая была названа Высотной Асуанской плотиной. Работы начались в 1960 г. и завершились в 1970-м. Строительство вызвало серьезные негативные последствия. Самое известное из них – затопление нескольких изумительных древнеегипетских храмов, например храма Абу-Симбел. В 1960 г. в рамках спасательной операции под эгидой ЮНЕСКО огромные статуи Рамсеса II разрезали на блоки и перенесли на более высокое место (рис. 24.6А и 24.6В) на берегу водохранилища (сейчас оно называется Насер), где позднее восстановили весь храм. Так же пришлось переносить памятники острова Филы, храмы Калабша и Амада. Некоторые из перемещенных египетских памятников передали странам, которые участвовали в спасательных работах: в частности, знаменитый храм Дендур находится сейчас в Метрополитен-музее в Нью-Йорке.

Рис. 24.6 Последствия сооружения Высотной Асуанской плотины. (А) Храм Абу-Симбел, который пришлось перенести на более высокое место. (В) Перемещение фрагментов исполинских статуй Рамсеса II. (С) Поперечный разрез через большой каньон под Нилом с исходными пометками геологов, составивших этот чертеж, на русском языке. Источник: Wikimedia Сommons

Плотина обеспечила защиту от наводнений и стабильный источник воды в случае засух (которые поражали и Египет, и Судан), а также давала гидроэлектроэнергию. Однако это обошлось дорого. Ежегодные разливы Нила прекратились, но это означает, что плодородный ил больше не пополняет почвы, и в результате страдает сельское хозяйство. Кроме того, из-за отсутствия паводковых вод и по причине сильного испарения в долине Нила соли в почве стали просачиваться на поверхность – в то время как раньше их растворяла и смывала вода. Из-за засоления во многих районах стало невозможно выращивать сельскохозяйственные культуры.

Поскольку река больше не несет осадочные материалы, перестала наращиваться дельта Нила: более того, Средиземное море стало ее разрушать. Все эти речные отложения теперь задерживаются на дне водохранилища Насер, которое постепенно мелеет, засоряется и в конечном итоге станет бесполезным. Нил больше не мутный, но в чистой реке разрослись водоросли, что влияет на качество питьевой воды по всему Египту. Уничтожено рыболовство в дельте Нила и на средиземноморском побережье. В общем, многие считают, что экономические издержки проекта Насера перевешивают все выгоды, которые он дает, особенно с учетом того, что Египет сейчас самая населенная страна Африки и страдает от проблем бедности и политических волнений.

Однако возведение Высотной Асуанской плотины повлекло еще одно удивительное последствие. Советские и египетские инженеры выбрали для строительства узкое место между скалами из песчаника. Затем они пробурили скважины через долину, чтобы определить глубину коренных пород, требуемых для фундамента плотины. Они бурили и бурили, но не могли добраться до дна: долину по всей глубине заполняли осадочные отложения, залегавшие под поймой. В 1967 г. советский геолог Иван Чумаков обнаружил, что керны в скважинах полны плиоценового морского планктона, отвечающего глубоководным условиям. Наконец, инженеры достигли коренных пород – и те оказались на сотни метров ниже уровня моря! Если точнее, бурение под Каиром показало, что коренные породы находятся более чем на 2500 м ниже поверхности поймы. Дальнейшие исследования с использованием сейсмических волн, которые отражались от подповерхностных слоев, установили, что на глубине сокрыта структура размером с Большой каньон. Строители плотины обнаружили, сами того не ожидая, что долина Нила на самом деле расположена поверх какого-то заполненного древнего каньона (рис. 24.6С), прорезанного, как уже говорилось, на 2500 м ниже современного уровня моря.

Но что же могло заставить Нил опуститься настолько ниже нынешнего уровня моря? И почему всю эту глубоко прорытую впадину затем полностью заполнили осадочные отложения? Появилась очередная тайна, и к головоломке добавился еще один отдельный фрагмент.

Фрагмент головоломки № 3: Скважина на дне океана

На протяжении десятилетий сейсмологи изучали дно Средиземного моря с помощью акустических волн. Ученые видели слои отложений, соответствующие опусканию бассейна в миоцене, плиоцене и в более ранние времена. На протяжении большей части мезозоя и кайнозоя бассейн Средиземного моря был частью огромного океана Тетис, который простирался от Гибралтара до Индонезии. Затем в миоцене бассейн прогнулся из-за давления, вызванного столкновением между Африканской и Евразийской плитами (это столкновение, или коллизия, привело также к поднятию Альп). Однако в 1961 г. сейсмические профили впервые выявили некий выделяющийся слой, который обеспечивал очень «яркое» отражение звуковых волн. Его назвали М-отражателем. Материал этого слоя сильно отличался по плотности от слоев ила и песка в остальной части разреза, поэтому исследователи сразу предположили, что это могут быть залежи соли. Они «соткали» своего рода одеяло по всему Средиземноморью площадью с морское дно, но залегающее глубоко под ним. Это позволило предположить, что когда-то данный слой отложился по всему дну, а затем был перекрыт более молодыми отложениями. В 1967 г. итальянский сейсмолог Джорджо Руджери предположил, что М-отражатель не просто состоит из соли, но и соответствует соляным пластам, давно известным по Мессинскому проливу. Он выдвинул гипотезу, что когда-то все Средиземное море высохло, превратившись в гигантский соляной бассейн, и ввел термин «Мессинский пик солености» (или «Мессинский кризис солености»). Однако у его догадки не было никаких прямых доказательств.

Тем не менее гипотезу явно стоило изучить. Ученые предложили, чтобы бурением дна Средиземного моря занялся «Гломар Челленджер» – в тринадцатой своей экспедиции и через два года после первого рейса. Экспедиция должна была решить, что представляет собой М-отражатель и прав ли Руджери. Как и во всех плаваниях Проекта глубоководного бурения (DSDP), в тринадцатой экспедиции на судне находилась большая группа ученых во главе с тремя специалистами. В числе последних были ведущая микропалеонтолог Мария Бьянка Чита и Кен Сюй, седиментолог китайского происхождения, известный как первопроходец во многих областях исследований. В частности, он выяснил, как формировались калифорнийские меланжи (глава 23). Когда я пишу эти строки, ему 94 года, и он получил за свои важные открытия почти все возможные награды в области геологии, включая медаль Волластона Геологического общества Лондона и медаль Пенроуза Геологического общества США.

Последним в этой тройке был специалист по морской геофизике Уильям Райан, который занимался геофизикой, профилями глубин и забором кернов. Когда я учился в аспирантуре в Ламонте в 1977 г., Билл Райан преподавал нам морскую геологию, и я слышал эту историю непосредственно от него. Он участвовал в десятках океанографических экспедиций Обсерватории Ламонт, а его изобретения и разработка технологий эхолокации, океанографической съемки, глубоководных камер и драг помогли собрать множество данных с морского дна. Райан спокоен, сдержан и замкнут, говорит медленно и негромко, но его идеи и самодисциплина вне всякого сравнения. Хотя во время лекций он сохранял бесстрастие и не повышал голос, я до сих пор отчетливо помню, как он описывал первый свой опыт картирования абиссальных^[102] равнин Мирового океана. Райан отметил, что они были такими плоскими и такими огромными, что ученые целыми днями плыли над абиссальным плато, а эхолот постоянно давал одно и то же значение глубины.

Кен, Билл и Мария присоединились к проекту с разными целями: найти причину хорошо известного падения уровня океана во всей Европе в позднем миоцене (Сюй); разыскать хорошую морскую миоцен-плиоценовую последовательность и улучшить биостратиграфическое датирование морских пород Средиземноморья (Чита); выяснить природу М-отражателя и узнать, как сформировался Средиземноморский бассейн (Райан). В начале 1970 г. «Гломар Челленджер» вышел из Лиссабона, прошел Гибралтарским проливом и сразу же приступил к бурению в Балеарской впадине (западная половина Средиземного моря между Испанией и Сардинией – Корсикой, включая Балеарские острова). Первые места бурения (точки 120, 121 и 122) находились на западной окраине Балеарской впадины у восточного побережья Испании (рис. 24.7). Пройдя мощные толщи плейстоценовых и плиоценовых морских илов, ученые обнаружили на границе миоцена и плиоцена мощный слой гравия. Это позволило предположить, что в Средиземноморский бассейн попадали грубые речные отложения или даже внезапные паводки из арройо (сухих пустынных русел). Не являясь окончательным доказательством, это все же убедительно указывало, что верхние склоны Балеарской впадины не всегда находились под водой, а некогда были широкими аллювиальными конусами выноса^[103], покрытыми песком и гравием, которые смывало с суши.

Рис. 24.7 Концентрическая зональность распределения эвапоритовых минералов в Балеарской впадине в западном Средиземноморье. Показано расположение мест бурения по Проекту глубоководного бурения (Deep Sea Drilling Project, DSDP). Предоставлено Deep Sea Drilling Project

Затем судно отправилось бурить дальше на восток и вниз по склону этой впадины. Когда геологи опустились ниже плейстоценовых и плиоценовых илов, обнаружилось кое-что поистине удивительное – слоистые строматолиты (см. главу 13) и корки доломита, указывающие на то, что нижняя часть склона представляла собой суперсоленую приливно-отливную (литоральную) илистую отмель, где покрытия-маты могли быть образованы только синезелеными бактериями и некоторыми водорослями. Вода была настолько соленой, что образовывались необычные минералы, такие как доломит. Это убедительно подтверждало тот факт, что дно Средиземного моря высыхало, поскольку строматолиты и литоральные отложения доломитов не могут развиваться в глубинах океана, а фотосинтезирующие бактерии не способны жить без солнечного света.

Наконец, корабль отправился к намеченной целевой точке – центру Балеарской впадины. Когда геологи пробурили плиоценовые морские отложения, они нашли толстые слои соли и гипса, залегающие на сотни и тысячи метров ниже нынешнего дна Средиземного моря. Это стало надежным доказательством, что около 5,5 млн лет назад западное Средиземноморье полностью высыхало. Одновременно подтвердилось то, что подозревали многие сейсмологи: М-отражатель оказался мощным слоем соли и гипса позднего миоцена, и этот слой обнаруживался под донными пластами по всему Средиземноморью.

Такую же картину вы найдете в любом полностью высохшем водоеме – например, в Мертвом море или калифорнийской Долине Смерти. На окраинах этих бассейнов могут оказаться аллювиальные гравийные, а иногда и литоральные отложения со строматолитами и карбонатными минералами. Ряд известных экспериментов, проведенных итальянским химиком М. Усиглио в 1849 г., показали, что для образования карбонатов (например, кальцита, арагонита или доломита) необходимо испарить около 50 % исходной воды. Следующая зона вокруг «мишени» богата сульфатами (в частности, гипсом), которые образуются, когда испарение удаляет 80 % исходного объема воды. Наконец, последними в осадок выпадают «горькие соли»: галит (хлорид натрия), сильвин (хлорид калия) и разные формы хлорида кальция. Эти соли образуются, только когда испаряется не меньше 90 % первоначальной воды; они выпадают в осадок из высококонцентрированного рассола по мере того, как остатки влаги исчезают из середины бассейна – центра «мишени».

Удивительные открытия продолжались. Одна скважина прошла через принесенные ветром дюнные отложения из пустыни на дне Средиземного моря, которые состояли из зерен кварцевого песка, смешанных с высохшими раковинами планктона. Эти материалы выветрились из старых морских илов, доставленных песчаными бурями миоцена. В других кернах обнаружились многочисленные грязевые трещины, свидетельствующие о том, что дно полностью высыхало. В большинстве кернов геологи нашли слои соли и гипса, чередующиеся со слоями обычных морских отложений: это говорило, что дно Средиземного моря высыхало, затем снова ненадолго затапливалось, после чего снова высыхало, и так раз за разом. Именно повторяющиеся стадии высыхания и затопления обеспечили такую огромную толщину отложений соли и гипса в Мессинском проливе. Если бы испарение произошло один раз, то после исчезновения воды остался бы только тонкий слой соли и гипса. Фактическое количество соли оценивается в 4 триллиона триллионов килограммов, то есть больше 1 млн кубических километров! Это в 50 раз больше, чем содержится в Средиземном море сейчас. Таким образом, для этого требуется, чтобы Средиземное море высыхало минимум 50 раз, поэтому в прошлом должны были происходить частые колебания между затоплением и высыханием.

Решение: гигантское мертвое море

Тринадцатая экспедиция DSDP продолжилась далее к востоку, мимо Италии и Сицилии; судно пробурило скважины в восточном Средиземноморье и обнаружило еще больше отложений того же типа. К моменту окончания работ ученые на борту считали полученные доказательства неопровержимыми. По их мнению, другого объяснения просто не было. Средиземное море некогда было огромной пустыней (рис. 24.8).

Рис. 24.8 Высыхание Средиземноморского бассейна в представлении художника. Источник: Wikimedia Сommons

И все же, когда геологи вернулись из путешествия и начали излагать свои результаты на научных конференциях в начале 1971 г., они столкнулись с невероятным скепсисом и сопротивлением. Какими бы серьезными ни были их аргументы, у многих ученых не укладывалось в голове, что все Средиземное море когда-то высохло и образовало заполненный солью пустынный бассейн на глубине до 1800 м ниже уровня моря – подобный расширенной версии Мертвого моря. Даже полвека спустя все еще есть профессионалы, которые противятся этой идее, хотя большинство согласилось с заключениями, которые Сюй, Райан и их коллеги отстаивали в 1970 и 1971 гг.

Прежде всего нужно понять, что Средиземное море – очень уязвимый водоем. Оно расположено в пустынных широтах субтропического пояса высокого давления (рис. 18.4); здесь преимущественно жарко и сухо – от побережья Северной Африки до европейских стран с их теплым «средиземноморским климатом» (Испании, Италии и Греции). Из-за того, что регион находится в пустынном поясе, в Средиземное море поступает гораздо меньше воды, чем испаряется, и высокую скорость испарения компенсируют лишь несколько впадающих в него крупных рек (в их числе Нил и Рона). Сначала этот бассейн закрылся на восточном краю, когда около 20 млн лет назад Аравийский полуостров и Африка столкнулись с Азией. В результате для компенсации испарения остается только узкий Гибралтарский пролив, через который в море может поступать морская вода. Если какое-нибудь критическое событие перекроет этот кран, водоем будет полностью отрезан.

Действительно, 5,96 ± 0,02 млн лет назад произошло глобальное падение уровня моря, и одновременно столкновение между Африкой и Испанией вызвало подъем Атласских гор. Как только океан опустился ниже уровня того узкого порога, который позволял воде попадать в Средиземное море, оно оказалось изолировано. Между 5,96 и 5,33 млн лет назад Средиземноморский бассейн то полностью высыхал, то затапливался, когда вода на какое-то время просачивалась через Гибралтар, затем снова высыхал и снова затапливался – и так по крайней мере 50 раз.

Между тем бассейн походил на огромное Мертвое море, и те животные, которые переносили жару и засуху, могли мигрировать через море или между многими районами, которые сейчас являют собой острова. Мы давно знаем, что на многих островах Средиземноморья – Кипре, Мальте, Гаргано^[104], Корсике, Сицилии и Сардинии – обитали необычные карликовые формы ископаемых млекопитающих, которые эволюционировали в изоляции после того, как Средиземное море заполнилось водой в последний раз и отделило острова друг от друга. На Кипре и Мальте жили вымершие карликовые бегемоты. На других островах обитали карликовые мамонты. На третьих зато найдены ископаемые гигантские ежи размером с собаку и кролики размером со свинью. Этот феномен характерен для многих островных фаун: крупные млекопитающие (например, слоны и гиппопотамы) становятся меньше из-за ограниченных ресурсов и отсутствия хищников, а мелкие млекопитающие (ежи, кролики и др.) укрупняются из-за отсутствия других животных, которые в обычных условиях могли бы конкурировать с ними в этом классе размеров тела.

Палеонтологи, изучающие древних млекопитающих, давно знали, что в конце миоцена в фауне произошли серьезные изменения: звери тогда свободно перемещались между Евразией и Африкой. Основываясь на этом факте, они первыми предположили, что Средиземное море высыхало.

Понимание того, что Средиземное море бывало пустыней, также дает ключ к разгадке последнего фрагмента головоломки – Большого каньона под Нилом. Поскольку в начале мессинского события уровень воды в Средиземном море начал падать, древний предшественник Нила должен был сделать в своей пойме прорезь, чтобы уравновесить возникший градиент. Это продолжалось до полного исчезновения Средиземного моря, и за это время река образовала каньон глубиной примерно 2500 м ниже нынешнего уровня моря: принесенная вода уходила в солончаки, а затем испарялась. Когда в плиоцене в Средиземноморском бассейне вновь появилась морская вода, она заполнила также и каньон Нила, и постепенно эту впадину занесло – как морскими отложениями из низовий, так и песком и илом из верховий. Эту гипотезу подтвердили исследования долины Роны во Франции: оказалось, что под Роной тоже находится глубокий каньон, до краев заполненный плиоценовыми морскими отложениями.

Наконец, тот факт, что происходило с полсотни более мелких эпизодов затопления водой, которая потом просто испарялась, дает нам некоторое представление о том, сколько воды было необходимо и с какой скоростью она должна была прибывать, чтобы компенсировать стремительное испарение. Для великого плиоценового «потопа», который в итоге заполнил Средиземное море и положил конец масштабному циклу высыхания и затопления, потребовался еще больший объем воды. Райан вычислил, что через Гибралтар должно было проходить так много холодной морской воды из Атлантики, что образовался водопад примерно в 1000 раз больше Ниагарского, или в 15 раз больше, чем водопад Виктория на реке Замбези – один из крупнейших в мире. Райан и Сюй подсчитали, что для наполнения Средиземного моря за 100 лет через Гибралтарский водопад должно было проходить около 34 000 кубических километров воды в год, а на деле, вероятно, намного больше. При такой скорости объем и давление были настолько велики, что, кажется, грохот мог бы преодолеть звуковой барьер!

Так простое наблюдение за солью в Мессинском проливе и обнаружение каньона под Нилом привели к пониманию одного из самых удивительных эпизодов в истории Земли.

25. Поэт, профессор, политик, уборщик и открытие ледниковых периодов
Ледниковые эрратические валуны

Ледник был великим Божьим плугом, запущенным в работу давным-давно, чтобы истирать, пахать и, так сказать, месить поверхность Земли.

Луи Агассис

Фрагмент головоломки № 1: Странствующие валуны

На заре геологии в конце XVIII – начале XIX в. одной из величайших загадок были огромные валуны. Они нередко попадались в необычных местах, а некоторые при этом балансировали в неустойчивом положении (рис. 25.1). Совершенно непонятной была природа этих камней. Они состояли из пород, которых не было рядом с местом, где валуны находились. В каких-то случаях происхождение этих пород можно было проследить – и «родина» их оказывалась на сотни километров севернее местопребывания валуна. Шотландский геолог-первооткрыватель (ученик Джеймса Хаттона) Арчибальд Гейки гораздо позже описывал их так: «Большие каменные массы, часто величиной с дом, которые перенесены ледниковым льдом и залегают на видном месте в ледниковых долинах или разбросаны по холмам и равнинам. Изучение их минералогического состава позволяет идентифицировать их источник».

Рис. 25.1 Несколько примеров огромных ненадежно уравновешенных эрратических валунов в Северной Европе. (A) Куммакиви («странный камень» в переводе с финского) в финской провинции Саво. (B) Гигантский инородный валун, лежащий на других камнях в Норбере, недалеко от Оствика, графство Йоркшир (Англия). (C) Эрратический балансирующий валун, недавно оказавшийся в результате таяния ледников в Йосемитском национальном парке (Калифорния). Источники: (A), (B) Wikimedia Сommons. (C) The Geologic Story of Yosemite National Park (1987) by N. King Huber

Чем дольше геологи наблюдали валуны, тем больше понимали, насколько они чужды своему окружению. В Схокланде в центре Нидерландов – страны, покрытой очень молодыми отложениями, где нигде нет выхода твердых коренных пород, – много валунов, происхождение которых можно проследить до Норвегии. Посреди прибрежной равнины на севере Германии в коммуне Штёксе есть огромный валун, который называют Гибихенштайн. Он явно неместный: в этом районе нет твердых коренных пород, есть только мягкие осадочные материалы прибрежных равнин. Происхождение камня можно проследить до Скандинавии. В Европе есть еще такие же камни, а на других континентах можно найти и более примечательные – например, огромные валуны, возвышающиеся над равнинами Альберты; все они образовались явно не из тех мягких сланцев мелового периода, что их окружают. Другой пример – Плимутский камень, скала, к которой в 1620 г., по преданию, причалили отцы-пилигримы. Когда я проводил выездные занятия по геологии в центральном Иллинойсе, мы часто останавливались у одной из выемок и вытаскивали куски самородной меди, которая могла происходить только с Верхнего полуострова Мичигана. Подобные объекты, которые обнаруживаются по всему Северному полушарию, получили название эрратических – от латинского глагола errare («блуждать»). Английские слова err («ошибаться») и error («ошибка») восходят к тому же корню: когда вы ошибаетесь, то блуждаете, отклоняясь от истины. Эти валуны также именовали «заблудшими овцами» или «подкидышами», поскольку они напоминали ученым животных, которые отбились от стада.

Однако, как мы видели в главе 5, на заре геологии ученые приписывали все слоистые породы (не только осадочные, но и лавовые потоки) деятельности какого-то масштабного наводнения – обычно Ноева потопа. Наводнение могло бы объяснять перемещение камней на большие расстояния, однако эта гипотеза пренебрегала важными деталями: например, оставалось неясным, почему вода подхватывала такие большие валуны, не оставляя при этом слои гравия и гальки (как это происходит при сильных наводнениях в наши дни). Она также не проливала свет на тот факт, что многие из этих валунов отличаются острыми угловатыми краями, а не округлены и не сглажены, как всегда бывает, когда камни перекатываются в воде, особенно во время паводков. Однако геология тогда, повторим, находилась в зачаточном состоянии, а догмат о Великом потопе был настолько непоколебимым, что мало кто вникал в подобные несоответствия. Большинство просто игнорировали их, чтобы втиснуть все находки в одно простое объяснение. В 1824 г. выдающийся британский натуралист Уильям Баклэнд писал:

У нас есть свидетельства того, что какое-то течение с севера перенесло на нынешнее место по всему восточному побережью Англии ту долю находящихся там камней, которая не может происходить из этой местности; некоторое их количество, возможно, пришло с побережья Шотландии, но большую часть, по-видимому, принесло с другой стороны Германского океана.

Таким образом, ледниковые эрратические валуны оставались загадкой. То же самое было и с мощными отложениями несортированных валунов, песка и глины, которые в ту пору геологи называли наносами, как все отложения, которые образовались в результате паводковых течений. Другое их название – дилювий, от латинского diluvium («наводнение, потоп»). Если бы натуралисты посмотрели на вещи критически, то увидели бы, что любой водный поток порождает отчетливые слои и напластования – вне зависимости от того, насколько мощным является обводнение. Даже когда паводки внезапно теряют свою энергию, они не сбрасывают собственный груз в виде беспорядочной нестратифицированной смеси валунов, гравия, песка и глины, а откладывают материал, отсортированный по слоям с разным размером зерен – от отдельных пластов гравия до пелены песка и тонкослоистых отложений алеврита и глины. Но до такого критического мышления было еще далеко…

Фрагмент головоломки № 2: цАрапины на камне

Первых европейских геологов озадачивала еще одна особенность твердых коренных пород – на них были заметны параллельные царапины и борозды, иногда тянущиеся на много метров (рис. 25.2). Порой эти борозды были очень мелкими, но встречались и удивительно глубокие. В некоторых случаях параллельные царапины покрывали огромные участки скальных пород. Какая сила могла процарапать борозды в таком твердом материале? И, что еще более важно, какие причины заставили борозды выстраиваться строго параллельно друг другу?

Рис. 25.2 Ледниковые борозды и царапины на коренной породе. Их оставляют камни, которые тащит ледник: такие камни действуют словно зубья рашпиля. Источник: Wikimedia Сommons

Вплоть до конца 1830-х гг. удобной и простой версией для объяснения царапин на камне служил все тот же Всемирный потоп. В 1823 г. Баклэнд написал 200-страничную монографию «Reliquiae Diluviae [в переводе с латинского «Следы потопа»], или Наблюдения за органическими остатками, содержащимися в пещерах, трещинах и дилювиальном гравии, а также за иными геологическими явлениями, свидетельствующими о деятельности Всемирного потопа». В этом трактате с помощью библейских представлений объяснялись эрратические валуны, ледниковые наносы и параллельные царапины. Баклэнд утверждал, что царапины были проделаны «трением тяжелых тел, приведенных в движение мощной силой быстро двигающейся воды». При этом любой внимательный наблюдатель, посмотревший – хоть тогда, хоть сейчас – на действие бурлящих паводковых вод, понял бы, что текущая вода не переносит камни по длинным прямым линиям на большие расстояния и не проделывает этими камнями борозды. Однако такие эксперименты станут проводиться гораздо позднее, поскольку геологов того времени вполне удовлетворяла модель Земли со Всемирным потопом.

Решение: агассис и eiszeit

Не все европейцы считали эти странные геологические особенности результатом воздействия разлившихся вод. Например, те, кто жил недалеко от Альп, видели ледники в действии и потому придерживались другой точки зрения. Швейцарский священник Бернхард Фридрих Кюн еще в 1787 г. утверждал, что эрратические валуны принесены льдом, потому что мог отметить, как это делают швейцарские ледники. Когда несколько лет спустя Джеймс Хаттон посетил горы Юра в Швейцарии и Франции, он пришел к тому же выводу, хотя эта мысль и теряется среди его радикальных и революционных идей. В 1824 г. норвежский натуралист Йенс Эсмарк утверждал, что именно ледники причина борозд и эрратических валунов в Норвегии. Эти люди могли воочию убедиться, как неимоверная тяжесть льда давит на камни, которые ледник тащит с собой, и под давлением этой огромной силы камни царапают коренную породу, словно зубья рашпиля или терки. Под влиянием Эсмарка немецкий естествоиспытатель Рейнхард Бернхарди опубликовал в 1832 г. статью, в которой утверждал, что когда-то льдом была покрыта вся территория Европы вплоть до центральной Германии.

Тем временем в Швейцарии накапливались наблюдения за современными альпийскими ледниками и сведения об их влиянии, так что ситуация постепенно прояснялась. В 1815 г. швейцарский охотник и знаток гор Жан-Пьер Перроден описал воздействие ледников на местные долины и сделал вывод, что некогда ледники были больше и простирались дальше. В 1818 г. его идеи произвели впечатление на инженера Игнаса Венеца, который по ходу работы хорошо изучил природу Швейцарии. Венец постепенно все больше убеждался в том, что ледники распространялись из Альп и воздействовали на окрестные территории. В своих трудах 1816, 1821 и, наконец, 1829 г. он развивал мысль, что в прошлом льды занимали значительно большую площадь. В том же самом убедился Жан де Шарпантье, руководитель соляных копей в Бе, послушав доводы Перродена, а затем Венеца и проведя собственные полевые наблюдения. С 1829 по 1833 г. он опубликовал еще несколько весомых статей на эту тему.

В 1834 г. на выступлении де Шарпантье в Люцерне присутствовал молодой швейцарский палеонтолог Луи Агассис (рис. 25.3). Он уже был известен в Европе благодаря своей новаторской работе, посвященной ископаемым рыбам. Летом 1836 г. Агассис приехал к де Шарпантье в Бе, намереваясь доказать ошибочность его ледниковых идей. В результате он сам обратился к гляциальной теории и стал распространять ее среди геологов, незнакомых с ледниками. В отличие от упомянутых выше приверженцев ледниковой геологии, которые просто выкладывали доказательства оледенения Альп и близлежащих регионов, Агассис был творчески мыслящим специалистом, ярким оратором, задиристым писателем, а также отличался энергичностью, трудолюбием и амбициозностью.

Рис. 25.3 Луи Агассис (Агасси) в молодости. Источник: Wikimedia Сommons

В 1837 г. Агассис проводил у себя в Невшателе ежегодное собрание Швейцарского общества естественных наук. Когда он встал, чтобы произнести вступительную речь, аудитория ожидала услышать очередное сообщение об ископаемых рыбах. Однако вместо этого ученый изложил серьезные аргументы в пользу идеи, согласно которой причиной большинства геологических особенностей, которые когда-то приписывались Всемирному потопу, являются ледники. Рассмотрев доказательства и представления Перродена, Венеца и де Шарпантье, он распространил их предположения на бо́льшую часть Европы и заявил, что она была покрыта льдом во время «ледникового периода» (нем. Eiszeit). Это выступление было настолько неожиданным и удивительным, что собравшиеся пришли в замешательство, а долгая дискуссия сорвала программу других запланированных докладов. Один из них должен был читать Аманц Гресли, который собирался изложить свою ныне общеизвестную концепцию осадочных фаций, но так и не успел сделать это из-за хаоса, последовавшего за «бомбой», взорванной Агассисом.

Большинство участников собрания весьма скептически и критически отнеслись к идеям Агассиса, поэтому после дискуссии он спонтанно решил организовать поездку к ближайшим альпийским ледникам. (На каком-нибудь современном профессиональном научном форуме ничего бы не получилось – у людей теперь все расписано на несколько месяцев вперед, есть самолеты, на которые нужно успеть, и бронирование номеров в гостиницах, которое нельзя отменить.) В карете с ним отправились величайшие геологи региона, в том числе Эли де Бомон и Леопольд фон Бух. Но если Агассис думал, что коллеги мгновенно поменяют свои взгляды по результатам полевых наблюдений, то он был чрезмерно оптимистичен в отношении человеческой природы. Поездка их не убедила, и большая часть геологического сообщества по-прежнему недоверчиво относилась к его идее. Великий естествоиспытатель и исследователь Александр фон Гумбольдт советовал Агассису вернуться к ископаемым рыбам и «оказать большую услугу реальной геологии, а не заниматься этими общими (к тому же слегка оледенелыми) рассуждениями об изменениях древнего мира – рассуждениями, которые, как вам хорошо известно, убеждают только тех, кто их рождает».

Если на континенте к Агассису отнеслись недоверчиво, то ученые в других местах оказались более восприимчивы. Когда британский геолог Уильям Баклэнд узнал о некоторых его идеях, он начал сомневаться в собственной работе, объясняющей все Ноевым потопом. Агассис с Баклэндом стали друзьями еще в 1835 г., когда швейцарец приезжал в Оксфорд для изучения ископаемых рыб. В 1838 г. Баклэнд отправился в немецкий Фрайбург: он посетил Ассоциацию немецких натуралистов, послушал, как Агассис излагает свою ледниковую теорию, и отнесся к его выступлению без предубеждения. Вместе с Агассисом они отправились в Невшатель, где совершили большое путешествие по ледникам в сопровождении Шарля-Люсьена Бонапарта, богатого покровителя естественных наук. (Шарль-Люсьен занялся наукой после того, как его дядя в 1815 г. проиграл битву при Ватерлоо и отправился в свое последнее изгнание.) Поездка не убедила Баклэнда полностью. Он размышлял над увиденным вплоть до 1840 г., когда Агассис выступил в Глазго перед членами Британской ассоциации содействия развитию науки. В итоге Баклэнд поменял точку зрения, став одним из первых в Британии последователей гляциальной теории. Большинство других британских геологов отнеслись к изменению его взглядов с удивлением и презрением. Одна карикатура того времени (рис. 25.4) изображала Баклэнда в полевом костюме, цилиндре и академической мантии, с картами, молотками и другим геологическим снаряжением. На камнях у его ног были параллельные царапины, а на них лежали записки: «Поцарапано ледником за тридцать три тысячи триста тридцать лет до сотворения мира» и «Поцарапано тележным колесом на мосту Ватерлоо позавчера».

Рис. 25.4 Знаменитая карикатура на Уильяма Баклэнда, стоящего на ледниковых царапинах. Источник: Wikimedia Сommon

Тем не менее Баклэнд убедил самого крупного авторитета своей эпохи – Чарльза Лайеля, и тот немедленно написал статью в поддержку его идей. Затем Агассис, Баклэнд и Лайель совершили поездку по Северо-Шотландскому нагорью, и Агассис сумел продемонстрировать коллегам, что многие характерные особенности, которые так долго оставались загадочными, можно объяснить тем, что Шотландия когда-то была покрыта льдом. В преддверии 1841 г. Эдвард Форбс писал Агассису: «Вы заставили всех здешних геологов помешаться на ледниках, и они превратили Великобританию в льдохранилище. Забавные и весьма абсурдные попытки противостоять вашим взглядам предприняли один или два псевдогеолога».

Битва за ледниковые периоды бушевала еще много лет, но Агассис устал от непрекращающегося неразрешенного конфликта. В 1846 г. он отправился в Соединенные Штаты – первоначально для изучения ископаемых рыб, но затем получил щедрое предложение на работу в Гарварде и основал Музей сравнительной зоологии. Он оставался в США до конца жизни и умер в 1873 г., после 27 лет преподавания и исследовательской деятельности в Гарварде. Что еще более важно, он использовал свой переезд в другую страну, чтобы путешествовать по всей северо-восточной части Северной Америки, где обнаружил множество гляциальных особенностей, раз за разом подтверждая, что арктическая ледяная шапка некогда действительно покрывала все северные континенты. Он, кроме того, подготовил нескольких выдающихся учеников, ставших следующим поколением американских натуралистов и геологов, включая палеонтологов Чарльза Дулиттла Уолкотта (глава 17), Алфеуса Хайата и Натаниела Шалера; палеонтолога и энтомолога Алфеуса Паккарда; натуралиста-первопроходца Эрнеста Ингерсолла; ихтиолога Дэвида Старра Джордана; геолога Джозефа Леконта; а также известного философа и психолога Уильяма Джеймса.

Профессор, политик и поэт…^[105] Швейцарский профессор Агассис выдвинул теорию ледникового периода, а политик-геолог Лайель поддержал ее, убедив к 1842 г. многих других коллег. Но, чтобы эта идея окончательно завоевала мир, потребовалось еще одно открытие – его сделал поэт и ученый Илайша Кент Кейн.

Риск и смерть в Гренландии

Одной из основных проблем для геологов и негеологов, пытавшихся уразуметь концепцию ледникового периода, был визуальный образ огромных ледяных щитов, покрывающих всю Европу. Одно дело думать о том, что альпийские ледники в прошлом простирались гораздо дальше, чем сегодня. Совсем другое – вообразить себе толстую ледовую шапку, спрятавшую континент. И снова трудность заключалась в ограниченных знаниях о мире у большинства европейцев. Точно так же, как сторонники Абраама Вернера никогда не видели извержение вулкана и потому не могли представить себе поток лавы в виде жидкой породы, современники Агассиса и его сторонников не имели ни малейшего представления, как может выглядеть гигантский ледяной щит.

До того почти все прорывы в науке были прерогативой европейцев. Однако молодая американская страна начала вкладывать средства в исследования и расширение территории; сначала первопроходцы и разведчики путешествовали от Аппалачей до Миссисипи, а экспедиция Льюиса и Кларка добралась в 1805 г. до Тихого океана. В 1848 г. после Американо-мексиканской войны США присоединили огромные территории, а в 1850 г. американским штатом стала Калифорния.

Американцы исследовали западные земли, однако стремились изучать и полярные регионы. Многие отважные люди попытались воспользоваться новыми возможностями и оставить свой след в истории. Одним из них был молодой Илайша Кент Кейн. Он родился в 1820 г. в уважаемой филадельфийской семье, в 22 года получил медицинское образование в Пенсильванском университете, затем стал помощником хирурга на военном флоте. В результате он участвовал во многих опасных миссиях – в Китае, Африке, а также в нескольких сражениях Американо-мексиканской войны. В битве при Нопалукане 6 января 1848 г. Кейн захватил в плен мексиканского генерала Антонио Гаону и его раненого сына, с которыми затем подружился.

В 1845 г. британский исследователь и офицер военного флота сэр Джон Франклин, не дрогнув, возглавил рискованное плавание на двух парусных кораблях, HMS Erebus и HMS Terror, чтобы найти Северо-Западный проход из Атлантического океана в Тихий. Экспедиция пропала, и никому не было известно, что случилось с судами. Поскольку Франклин был британским аристократом и видным исследователем, леди Джейн Франклин и Адмиралтейство назначили огромную награду за нахождение мореплавателя, его кораблей и команды. Поиски начались в 1848 г., а к лету 1850 г. в надежде на вознаграждение Франклина искали 11 британских кораблей и 2 американских.

Кейн, благодаря опыту и смелости, стал в 1850 г. старшим врачом в одной из экспедиций, разыскивавших Франклина, которую финансировал меценат Генри Гриннелл. Эта миссия увенчалась наконец хотя бы относительным успехом, поскольку она обнаружила местонахождение первого зимнего лагеря Франклина. Воодушевленный этим достижением, Кейн организовал вторую экспедицию, уже под собственным руководством, которую тоже финансировал Гриннелл. Бриг Advance отплыл из Нью-Йорка 31 мая 1853 г. и к зиме достиг залива Ренселер-Бей в Гренландии. Зимой Кейн и его команда страдали от цинги, а несколько человек оказались на грани гибели. Тем не менее следующей весной группа продолжала продвигаться на север, где она обнаружила свободный ото льда пролив Кеннеди в самой северной части прохода между Гренландией и островом Элсмир. Этот маршрут стал предпочтительным для будущих полярных исследователей, и кульминацией их усилий стало открытие Северного полюса Робертом Пири в 1909 г.

Однако находиться в Гренландии было все труднее, и вскоре вместо поисков Франклина пришлось бороться за выживание и возвращение домой. 20 мая 1855 г. экипаж покинул скованный льдами Advance, и Кейн в течение 83 тяжких дней вел свою команду по ледяному щиту, пока они не добрались до открытой воды возле Упернавика (на западном побережье Гренландии), где их спас проходивший парусник. Несмотря на трудности, все, кроме одного участника, выдержали минусовые температуры и опасный переход через предательские расселины – притом что многим приходилось тянуть тяжелые сани с пострадавшими.

11 октября 1855 г. Кейн со спутниками наконец вернулись в Нью-Йорк; их встречали как героев. Кейн занялся описанием экспедиции, и через год появился двухтомный отчет. Он стал сенсацией и в Соединенных Штатах, и в Европе, поскольку в нем с энтузиазмом повествовалось об опасностях и героизме, которые привлекали читателей. Кроме того, это был первый случай, когда люди вернулись с ледяного щита километровой толщины и описали его природу. Отчет Кейна стал бестселлером, а ученые и неспециалисты впервые смогли визуализировать и понять концепцию необъятных ледяных щитов. Те оставшиеся геологи, которые еще возражали против Eiszeit Агассиса, больше не могли отвергать идею гигантского ледяного щита. Они наконец смогли представить себе километры льда, громоздящиеся поверх Европы и Северной Америки.

Сделаю в заключение к этой истории два добавления. Сам Кейн еще восстанавливался после чрезвычайного напряжения, пережитого в путешествии, однако чувствовал себя обязанным отправиться в Англию и лично доставить свое сообщение леди Франклин. Затем по предписанию врача он поехал лечиться на Кубу. К сожалению, здоровье исследователя ухудшилось, и он умер на Кубе 16 февраля 1857 г. – в возрасте всего 37 лет. Тело доставили в Новый Орлеан, а затем поезд повез его на родину в Филадельфию. На всех станциях по пути состав встречали люди, отдававшие Кейну почести как национальному герою, а траурный поезд стал самым длинным в истории США на тот момент (позже его превзойдет траурный поезд, который вез Авраама Линкольна на родину в Иллинойс после убийства в апреле 1865 г.).

И все же эти первые поисковые группы не выяснили, что случилось со злополучной экспедицией Франклина. Только с появлением современных спутниковых технологий и совершенных методов поиска в Арктике удалось установить судьбу кораблей и людей. Сейчас мы знаем, что суда затерло во льдах, а все 129 человек умерли от болезней, переохлаждения, голода или каннибализма. Обломки HMS Erebus нашли в 2014 г., а судно HMS Terror обнаружилось только в 2016 г. Оба корабля раздавило льдами, и они затонули у острова Кинг-Вильям.

Шотландский уборщик и сербский математик

После подтверждения концепции ледникового периода геологи в конце XIX в. и на протяжении большей части ХХ в. стали картировать ледниковые наносные отложения (фактически морены, состоящие из ледникового тилла, который формируется, когда песок, гравий и валуны нагромождаются на фронте тающего ледника). Вскоре удалось установить, что в Северной Америке было четыре периода наступления льда; их назвали (от самого молодого к самому старому) висконсинским, иллинойским, канзасским и небрасским оледенениями. Названия были даны по самому южному из штатов, в котором каждое оледенение оставило морены. Тем временем европейские геологи обнаружили свидетельства пяти последовательных периодов наступления льдов, названных (тоже от самого молодого к самому старому) вюрмским, рисским, гюнцским, миндельским и дунайским оледенениями. Получалось, что на континентах Северного полушария был не один ледниковый период, а минимум четыре или пять. К сожалению, не существовало методов датирования, позволявших оценить возраст этих наступлений льда или определить, как четыре события в Северной Америке могут соотноситься с пятью событиями в Европе. Геологи выдвигали разные теории, объясняющие многократные наступления льдов, но ни у одной не было надежных подтверждений.

Астрономы обсуждали идею, согласно которой переход от оледенения (периода распространения льдов) к межледниковью (периоду их отступления) может определяться инсоляцией, то есть количеством солнечного света, падающего на земную поверхность. Никто еще не занимался математическими расчетами требуемых орбит и не вычислял соответствующие различия в энергии. Эту брешь заполнил замечательный шотландец Джеймс Кролль (рис. 25.5). Он прекрасный пример человека, который, не имея состояния и образования, смог достичь профессиональных вершин исключительно благодаря своим стараниям и уму. Кролль родился на ферме в Пертшире (Шотландия) и был вынужден пойти работать, когда ему не исполнилось даже 16 лет. Сначала он стал подмастерьем колесника, затем торговцем чаем, неудачно управлял гостиницей для трезвенников, работал страховым агентом. В 1859 г. его взяли уборщиком^[106] в музей Андерсоновского института в Глазго, и он начал проводить многие часы в библиотеке, изучая математику, физику и астрономию.

Рис. 25.5 Джеймс Кролль (Кролл). Источник: Wikimedia Сommons

Кролль основывался на трудах астронома Урбена Леверье, который первым продемонстрировал, что орбита Земли вокруг Солнца и наклон ее оси постоянно меняются. Результаты собственных вычислений Кролль представил сэру Чарльзу Лайелю и сэру Арчибальду Гейки. Ученые были впечатлены, а Гейки предложил ему место хранителя геологических карт и корреспонденции Геологической службы Шотландии в Эдинбурге. Здесь у Кролля появились не только необходимые документы, но и много свободного времени для чтения и занятий наукой. В 1875 г. он написал книгу «Климат и время в их геологическом взаимоотношении» (Climate and Time, in their Geologic Relations), в которой изложил свое ви́дение того, как изменения орбиты Земли меняют количество получаемой солнечной радиации и тем самым служат фактором, вызывающим ледниковые периоды. Это принесло автору назначение на должность научного сотрудника и почетную степень от Сент-Эндрюсского университета, а в конечном итоге избрание в Лондонское королевское общество.

Кролль сделал расчеты для известных циклов орбиты Земли вокруг Солнца, чтобы понять, насколько они могут объяснить ледниковые периоды. Он указал, что уже давно астрономы, и в частности Иоганн Кеплер, отметивший это в 1609 г., знали, что орбита, по которой движется Земля, имеет форму не окружности, а эллипса. Этот эллипс очень медленно меняет свои очертания, с почти округлого на более вытянутый, и теперь известно, что продолжительность такого цикла эксцентриситета^[107] земной орбиты составляет около 100 000 лет (рис. 25.6А). Другим циклом, известным с Гиппарха, жившего в II в. до н. э., является цикл прецессии, или «покачивания». Древние греки понимали, что Земля покачивается, как волчок, и ось ее вращения меняет направление. Например, ныне эта ось указывает примерно на Полярную звезду, но 14 000 лет назад она была направлена на другую звезду – Вегу. Из-за того, что направление земной оси меняется, на околополюсные зоны падает разное количество солнечного света. Сейчас доказано, что цикл прецессии занимает около 21 000–23 000 лет и представляет собой самый короткий из трех циклов.

Рис. 25.6 Циклы Миланковича. (А) Диаграмма, показывающая три цикла изменений орбиты Земли и угла наклона по отношению к Солнцу. (В) Каждый цикл обладает собственным периодом, и когда все три цикла взаимодействуют, то три синусоидальные волны складываются друг с другом и порождают сложную интерференционную картину, передаваемую пилообразным графиком потепления и охлаждения. Эту закономерность подтвердили измерения температур древнего океана, зафиксированных в глубоководных кернах и в конечном счете в пузырьках древнего воздуха, захваченного в ледяных кернах

Кролль также указал, что лед может очень быстро нарастать или таять из-за обратной связи лед – альбедо (см. главу 16). Когда льда много, планета хорошо отражает лучи, то есть обладает высоким альбедо. Солнечная энергия отражается обратно в космос, и температура понижается, а потому количество льда еще больше увеличивается. При этом, если речь о ледяном ландшафте, для таяния нужно, чтобы появилось немного темной, поглощающей солнечный свет поверхности с низким альбедо (например, морской воды или растительности): эти участки станут поглощать больше тепла, и таяние ускорится.

Книга Кролля была очень смелой, она давала пищу для размышлений и заслуживала серьезного отношения, но, к сожалению, в то время теории автора не поддавались проверке. Не существовало методов надежной датировки, а неполные и скудные сведения о распространении льда на суше не давали возможность оценить его гипотезы. Поэтому идеи шотландского ученого десятилетиями оставались невостребованными среди прочих интересных, но непроверяемых предположений. В 1880 г. Кролль получил сильную травму головы, из-за которой был вынужден уйти на пенсию в 59 лет. Он прожил еще 10 лет и умер в 1890 г., а его новаторские суждения при жизни автора не получили развития.

И все же практически забытые исследования Кролля возродил сербский астроном и математик Милутин Миланкович (рис. 25.7). Он родился на территории нынешней Хорватии (в то время входившей в состав Австро-Венгерской империи) в 1879 г. Милутин блестяще учился и в 1904 г. получил инженерное образование в Венском технологическом институте. Он стал отличным строителем, проектировал и возводил в Австрии мосты, виадуки, акведуки, плотины и другие сооружения, получил шесть патентов на свои изобретения, а затем переехал в Сербию, где возглавил кафедру прикладной математики в Белградском университете.

Рис. 25.7 Милутин Миланкович. Источник: Wikimedia Сommons

Несмотря на повседневную загрузку профессиональными обязанностями, Миланкович больше всего интересовался фундаментальными исследованиями, и к 1912 г. он увлекся решением проблем, связанных с тем, как могут влиять на климат изменения инсоляции. «Метеорология, – жаловался он, – по большей части просто набор бесчисленных эмпирических фактов, в основном количественных данных, с минимальными следами физики, используемой для объяснения некоторых из них… Математику применяли еще меньше, на уровне элементарных вычислений… Высшая математика не играла в этой области никакой роли». В 1912–1913 гг. он опубликовал несколько работ, в которых вычислил инсоляцию для каждой широты и определил, как она влияет на положение климатических поясов. В июле 1914 г. в Сараеве был убит эрцгерцог Франц Фердинанд, и противоречия между Сербией и Австро-Венгерской империей переросли в Первую мировую войну. Миланкович был сербом; его арестовали в Австрии во время медового месяца и заключили в крепость Осиек. О своей первой ночи в качестве военнопленного он писал:

За мной закрылась тяжелая железная дверь… Я сел на кровать, оглядел комнату и начал осваиваться с новыми социальными обстоятельствами… Среди взятых вещей были уже опубликованные или только начатые работы по моей космической задаче; было даже немного чистой бумаги. Я просмотрел свои записи, взял верную перьевую ручку и начал писать и считать… Когда после полуночи я оглядел комнату, мне понадобилось время, чтобы понять, где я нахожусь. Это крохотное помещение показалось мне разовым ночлегом на моем пути сквозь Вселенную^[108].

К счастью, у него оказались хорошие связи в Вене, поэтому ученого перевели в Будапешт, и, формально оставаясь пленным, он даже получил доступ к материалам, необходимым для исследований^[109]. Используя предоставленное время и библиотеку Венгерской академии наук, он добился огромных успехов в области математической метеорологии и с 1914 по 1920 г. опубликовал несколько статей с изложением полученных результатов. Наконец война закончилась, и в марте 1919 г. Миланкович с семьей вернулся в Белград, где снова стал профессором Белградского университета.

Затем Миланкович использовал свои исследования, чтобы точно рассчитать на моделях, как циклы инсоляции могут вызывать ледниковые периоды. Он понял, что ключевой фактор – количество света, получаемого земной поверхностью в летнее время; именно этот параметр определяет, сколько льда растает, а сколько останется. Миланкович опирался на концепцию циклов эксцентриситета и прецессии, описанных Кроллем, и добавил третий цикл, открытый Людвигом Пилгримом в 1904 г.: цикл изменения наклона оси вращения. Ведь ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости ее орбиты, а наклонена под углом 23,5° (рис. 25.6А). Этот угол не постоянен, он меняется в диапазоне приблизительно между 22 и 24,5°. Когда угол доходит до 24,5°, полюсы получают гораздо больше солнечного света, и количество льда там уменьшается; при угле 22° полярным регионам достается света меньше, и количество льда увеличивается. Длительность такого цикла изменения угла от 22 до 24,5° и обратно составляет около 41 000 лет. У Миланковича было все необходимое, чтобы заняться кропотливыми расчетами и построением графиков (он исписывал массу бумаги, в одиночку выполняя все вычисления, без компьютеров и калькуляторов). Написав десятки научных статей и небольших книг на тему солнечной радиации и климата Земли, к концу 1930-х гг. Миланкович решил собрать все их в один том под названием «Канон инсоляции и его применение к проблеме ледниковых эпох».

Однако в жизнь и деятельность Миланковича снова вмешался кризис в международных отношениях. В 1941 г., через четыре дня после отправки книги в типографию, немцы напали на Югославию, и типография разрушилась при бомбежке Белграда. К счастью, отпечатанные листы находились на складе и не пострадали. После начала оккупации в мае 1941 г. к Миланковичу пришли два немецких офицера, которые ранее изучали геологию в Германии, и предложили свою помощь. Он отдал им единственный имевшийся у него переплетенный экземпляр книги – на случай, если что-либо произойдет с ним или его трудом. Годы войны он провел в своем доме, работая над мемуарами. Когда война закончилась, ученый вернулся к своим обязанностям в Белградском университете, а также занял должность вице-президента Сербской академии наук. Несмотря на полученные почетные звания и награды, Миланкович не почивал на лаврах, а продолжал работать над важными задачами. Он проявлял интерес к пересмотру календаря, занимался проблемой так называемого блуждания полюсов и после выхода в отставку в 1954 г. писал статьи по истории науки. В 1958 г. ученый перенес инсульт и умер в возрасте 79 лет, так и не узнав, подтверждают ли геологические данные его теорию.

Решение: планктон и ритмоводитель ледниковых периодов

Хотя Миланкович продвинул теорию астрономических циклов и причин ледниковых периодов настолько далеко, насколько это было реально сделать для астронома или математика, у геологов не существовало четких доказательств, подтверждающих его расчеты. Найденные на суше отложения по-прежнему показывали всего лишь четыре или пять крупных продвижений ледников, и даже в конце 1950-х гг. не были решены проблемы с их датировкой. Вся теория астрономических циклов и ледниковых периодов оставалась неподтвержденными умозрительными рассуждениями.

Геологическая летопись, фиксирующая оледенения на суше, не могла справиться с этой проблемой, потому что в большей части наземной летописи масса пробелов. Решение появилось, когда в начале 1970-х гг. ученые изучили длинные керны глубоководных отложений. В отличие от фрагментарной летописи отложений на суше, дно океана на больших глубинах покрыто мелкодисперсными илами и раковинами планктона, которые почти сплошным «дождем» оседали с поверхности. Как только в руках специалистов появились достаточно хорошие керны, практически непрерывно фиксировавшие данные о климате в Мировом океане за последние 2–3 млн лет, у науки оказалось достаточно информации, чтобы проверить гипотезу Кролля – Миланковича.

Лидировала в этих исследованиях группа ученых, финансируемая проектом Национального научного фонда (NSF) под названием CLIMAP (аббревиатура слов Climate: Long-Range Investigation, Mapping, and Prediction – «Климат: перспективные исследования, картографирование и прогнозирование»). Ведущими сотрудниками в этом коллективе были микропалеонтолог из Обсерватории Ламонт Джеймс Хейс (он, кстати, входил в комиссию, рассматривавшую мою диссертацию, мы также сообща выполняли некоторые исследования в области микропалеонтологии), микропалеонтолог из Брауновского университета Джон Имбри и специализировавшийся в изучении изотопов геохимик из Кембриджского университета Ник Шеклтон. Втроем они изучили множество глубоководных кернов, которые давали полную картину за последние 2–3 млн лет ледникового периода. Все керны получили точную датировку с помощью биостратиграфии микроокаменелостей, вулканического пепла и изменений магнитного поля, зафиксированных в отложениях. Ученые обнаружили, что для отслеживания изменений температуры в океане можно использовать чувствительный к температуре планктон, содержащийся в кернах. Кроме того, в качестве вспомогательного показателя изменений температуры морской воды целесообразно анализировать состав минералов в панцирях планктона, так что в кернах находилось сразу несколько индикаторов климата.

После того как участники проекта CLIMAP проверили и сопоставили достаточное количество кернов из всех океанов мира, обнаружилось, что за последние 2 млн лет было не четыре или пять ледниковых циклов, а больше двадцати! По-видимому, на суше зарегистрированы только самые крупные циклы, вызывавшие наибольшее наступление ледников, а следы меньших циклов стерты последующими более серьезными продвижениями ледников. Однако глубоководная летопись сохраняет информацию обо всех циклах, и можно построить точную кривую, связывающую время и температуру океана.

Как только ученые получили эту температурную кривую, они попытались выяснить, чем именно может объясняться такой сложный график потеплений и охлаждений. С помощью математических методов спектрального анализа эту пилообразную кривую разложили на отдельные компоненты. Оказалось, что она состоит из трех разных синусоидальных волн, формирующих специфическую интерференционную картину (рис. 25.6B). Имеющиеся данные показывали три цикла: цикл эксцентриситета продолжительностью 110 000 лет, цикл наклона оси 41 000 лет и цикл прецессии 21 000–23 000 лет – как раз то, что предсказывал Миланкович более 50 лет назад.

Итак, в 1975 г. – ровно через 100 лет после того, как Кролль опубликовал свою книгу по данной теме, – задача была решена. В 1976 г. Хейс, Имбри и Шеклтон опубликовали свою легендарную статью о «ритмоводителях», в которой доказывалось, что астрономические циклы движения Земли вокруг Солнца определяют величину получаемого планетой солнечного излучения и что эти циклы являются главными регуляторами («ритмоводителями») ледниковых периодов. С тех пор циклы Кролля – Миланковича обнаруживались в разного рода геологических летописях, включая месторождения каменного угля в каменноугольном периоде и меловых морей в меловом периоде. Подтверждение гипотезы Кролля – Миланковича считается одним из фундаментальных открытий в геологии, а «ритмоводительная» статья Хейса, Имбри и Шеклтона 1976 г. расценивается как один из важнейших научных прорывов ХХ столетия.

Подумать только! Головоломка начиналась с нескольких огромных валунов и поцарапанных коренных пород, а закончилось дело тем, что ее решили с помощью крошечных раковин планктона в безднах океана.

Благодарности

Я благодарю моего благожелательного редактора Патрика Фитцджеральда за идею и важный вклад в работу. Спасибо Кэтрин Хорхе из издательства Columbia University Press за контроль над выпуском этой книги и Бену Колстаду из Cenveo за управление печатным процессом. Благодарю Грега Реталлака и Ника Фрейзера за их важные комментарии и предложения, а Пола Хоффмана – за комментарии к главе 16.

Спасибо моему сыну Эрику Протеро за редактирование и перерисовывание многих иллюстраций в программах Illustrator и Photoshop. Спасибо многим и многим людям за разрешение использовать их работы в качестве иллюстраций; источники указаны в подписях.

Наконец, благодарю за помощь мою любящую и поддерживающую меня семью: сыновей Эрика, Закари и Теодора, а также мою потрясающую жену – профессора Терезу Левелль.

Дополнительная литература

1. Вулканический туф

Beard, Mary. The Fires of Vesuvius: Pompeii Lost and Found. Cambridge, Mass.: Belknap Press of Harvard University, 2010.

Cooley, Alison E., and M. G. L. Cooley. Pompeii and Herculaneum: A Sourcebook. New York: Routledge, 2013.

De Carolis, Ernesto, and Givoanni Patricelli. Vesuvius, A.D. 79: The Destruction of Pompeii. Malibu, Calif.: J. Paul Getty Museum, 2003.

Pellegrino, Charles R. Ghosts of Vesuvius: A New Look at the Last Days of Pompeii, How Towers Fall, and Other Strange Connections. New York: William Morrow, 2004.

Scarth, Alwyn. Vesuvius: A Biography. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2009.

2. Самородная медь

Fowler, Brenda. The Iceman: The Life and Times of a Prehistoric Man Found in an Alpine Glacier. Chicago: University of Chicago Press, 2001.

Lienard, Jean. Cyprus: The Copper Island. Paris: Le Bronze Industriel, 1972.

Nicholas, Adolphe. The Mid-Ocean Ridges: Mountains Below Sea Level. Berlin: Springer, 1995.

Searle, Rorger. Mid-Ocean Ridges. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

3. Касситерит

Atkinson, R. L. Tin and Tin Mining. London: Shire Library, 2010.

Price, T. Douglas. Europe Before Rome: A Site-by-Site Tour of the Stone, Bronze, and Iron Ages. Oxford: Oxford University Press, 2013.

4. Угловое несогласие

Broadie, Alexander, ed. The Scottish Enlightenment: An Anthology. London: Canongate Classics, 2008.

Buchan, James. Crowded with Genius: Edinburgh, 1745–1789. New York: Harper Collins, 2009.

Geikie, Archibald. James Hutton: Scottish Geologist. Shamrock Eden Digital Publishing, 2011.

Herman, Arthur. How the Scots Invented the Modern World: The True Story of How Western Europe's Poorest Nation Created Our World and Everything in It. New York: Broadway Books, 2007.

Hutton, James. Theory of the Earth with Proofs and Illustrations. Amazon Digital Services, 1788.

McIntyre, Donald B., and Alan McKirdy. James Hutton: The Founder of Modern Geology. Edinburgh: National Museum of Scotland Press, 2012.

Repcheck, Jack. The Man Who Found Time: James Hutton and the Discovery of the Earth's Antiquity. New York: Basic Books, 2008.

Rudwick, Martin J. S. Earth's Deep History: How It Was Discovered and Why It Matters. Chicago: University of Chicago Press, 2014.

6. Уголь

Bonney, Thomas G. Charles Lyell and Modern Geology. New York: Andesite, 2015.

Geikie, Archibald. James Hutton: Scottish Geologist. Shamrock Eden Digital Publishing, 2011.

Hutton, James. Theory of the Earth with Proofs and Illustrations. Amazon Digital Services, 1788.

Lyell, Charles. Principles of Geology. 3 vols. Chicago: University of Chicago Press, 1990–1991.

McIntyre, Donald B., and Alan McKirdy. James Hutton: The Founder of Modern Geology. Edinburgh: National Museum of Scotland Press, 2012.

Repcheck, Jack. The Man Who Found Time: James Hutton and the Discovery of the Earth's Antiquity. New York: Basic Books, 2008.

Rudwick, Martin J. S. Earth's Deep History: How It Was Discovered and Why It Matters. Chicago: University of Chicago Press, 2014.

7. Мир юрского периода

Berry, William B. N. The Growth of a Prehistoric Time Scale. San Francisco: Freeman, 1968.

Rudwick, Martin J. S. Earth's Deep History: How It Was Discovered and Why It Matters. Chicago: University of Chicago Press, 2014.

Winchester, Simon. The Map That Changed the World: William Smith and the Birth of Modern Geology. New York: HarperCollins, 2001.

8. Радиоактивный уран

Bevan, Alex, and John De Laeter. Meteorites: A Journey Through Space and Time. Washington, D.C.: Smithsonian Books, 2002.

Chambers, John, and Jacqueline Mitton. From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2013.

Dalrymple, G. Brent. The Age of the Earth. Stanford, Calif.: Stanford University Press, 1994.

Dalrymple, G. Brent. Ancient Earth, Ancient Skies: The Age of the Earth and Its Cosmic Surroundings. Stanford, Calif.: Stanford University Press, 2004.

Gargaud, Muriel, Hervé Martin, Purificacíon López-García, Thierry Montmerle, and Robert Pascal. Young Sun, Early Earth, and the Origins of Life: Lessons for Astrobiology. Berlin: Springer, 2013.

Hedman, Matthew. The Age of Everything: How Science Explores the Past. Chicago: University of Chicago Press, 2007.

Macdougall, Doug. Nature's Clocks: How Scientists Measure the Age of Almost Everything. Berkeley: University of California Press, 2008.

Nield, Ted. The Falling Sky: The Science and History of Meteorites and Why We Should Learn to Love Them. New York: Lyons, 2011.

Norton, O. Richard. Rocks from Space: Meteorites and Meteorite Hunters. Missoula, Mont.: Mountain Press, 1998.

Smith, Caroline, Sara Russell, and Gretchen Benedix. Meteorites. London: Firefly, 2010.

Zanda, Brigitte, and Monica Rotaru, eds. Meteorites: Their Impact on Science and History. Cambridge: Cambridge University Press, 2001.

9. Хондриты

Bevan, Alex, and John De Laeter. Meteorites: A Journey Through Space and Time. Washington, D.C.: Smithsonian Books, 2002.

Chambers, John, and Jacqueline Mitton. From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2013.

Dalrymple, G. Brent. The Age of the Earth. Stanford, Calif.: Stanford University Press, 1994.

Dalrymple, G. Brent. Ancient Earth, Ancient Skies: The Age of the Earth and Its Cosmic Surroundings. Stanford, Calif.: Stanford University Press, 2004.

Gargaud, Muriel, Hervé Martin, Purificacíon López-García, Thierry Montmerle, and Robert Pascal. Young Sun, Early Earth, and the Origins of Life: Lessons for Astrobiology. Berlin: Springer, 2013.

Hedman, Matthew. The Age of Everything: How Science Explores the Past. Chicago: University of Chicago Press, 2007.

Macdougall, Doug. Nature's Clocks: How Scientists Measure the Age of Almost Everything. Berkeley: University of California Press, 2008.

Nield, Ted. The Falling Sky: The Science and History of Meteorites and Why We Should Learn to Love Them. New York: Lyons, 2011.

Norton, O. Richard. Rocks from Space: Meteorites and Meteorite Hunters. Missoula, Mont.: Mountain Press, 1998.

Smith, Caroline, Sara Russell, and Gretchen Benedix. Meteorites. London: Firefly, 2010.

Zanda, Brigitte, and Monica Rotaru, eds. Meteorites: Their Impact on Science and History. Cambridge: Cambridge University Press, 2001.

10. Железо-никелевые метеориты

Bevan, Alex, and John De Laeter. Meteorites: A Journey Through Space and Time. Washington, D.C.: Smithsonian Books, 2002.

Chambers, John, and Jacqueline Mitton. From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2013.

Dalrymple, G. Brent. Ancient Earth, Ancient Skies: The Age of the Earth and Its Cosmic Surroundings. Stanford, Calif.: Stanford University Press, 2004.

Gargaud, Muriel, Hervé Martin, Purificacíon López-García, Thierry Montmerle, and Robert Pascal. Young Sun, Early Earth, and the Origins of Life: Lessons for Astrobiology. Berlin: Springer, 2013.

Nield, Ted. The Falling Sky: The Science and History of Meteorites and Why We Should Learn to Love Them. New York: Lyons, 2011.

Norton, O. Richard. Rocks from Space: Meteorites and Meteorite Hunters. Missoula, Mont.: Mountain Press, 1998.

Smith, Caroline, Sara Russell, and Gretchen Benedix. Meteorites. London: Firefly, 2010.

Zanda, Brigitte, and Monica Rotaru, eds. Meteorites: Their Impact on Science and History. Cambridge: Cambridge University Press, 2001.

11. Лунные камни

Chaikin, Andrew. A Man on the Moon: The Voyages of the Apollo Astronauts. New York: Penguin, 2007.

Chambers, John, and Jacqueline Mitton. From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2013.

Dalrymple, G. Brent. Ancient Earth, Ancient Skies: The Age of the Earth and Its Cosmic Surroundings. Stanford, Calif.: Stanford University Press, 2004.

French, B. M. Origin of the Moon: NASA's New Data from Old Rocks. Greenbelt, Md.: NASA Goddard Space Flight Center, 1972.

Gargaud, Muriel, Hervé Martin, Purificacíon López-García, Thierry Montmerle, and Robert Pascal. Young Sun, Early Earth, and the Origins of Life: Lessons for Astrobiology. Berlin: Springer, 2013.

Harland, David M. Moon Manual. London: Haynes, 2016.

Hartmann, William K. Origin of the Moon. Houston: Lunar & Planetary Institute, 1986.

Mutch, Thomas A. Geology of the Moon: A Stratigraphic View. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1973.

Reynolds, David West. Apollo: The Epic Journey to the Moon, 1963–1972. New York: Zenith, 2013.

12. Цирконы

Chambers, John, and Jacqueline Mitton. From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2013.

Gargaud, Muriel, Hervé Martin, Purificacíon López-García, Thierry Montmerle, and Robert Pascal. Young Sun, Early Earth, and the Origins of Life: Lessons for Astrobiology. Berlin: Springer, 2013.

Hazen, Robert M. The Story of the Earth: The First 4.5 Billion Years from Stardust to Living Planet. New York: Penguin, 2013.

Shaw, George H. Earth's Early Atmosphere and Oceans, and the Origin of Life. Berlin: Springer, 2015.

Ward, Peter, and Joe Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origin and Evolution of Life on Earth. New York: Bloomsbury, 2015.

13. Строматолиты

Chambers, John, and Jacqueline Mitton. From Dust to Life: The Origin and Evolution of Our Solar System. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2013.

Gargaud, Muriel, Hervé Martin, Purificacíon López-García, Thierry Montmerle, and Robert Pascal. Young Sun, Early Earth, and the Origins of Life: Lessons for Astrobiology. Berlin: Springer, 2013.

Hazen, Robert M. The Story of the Earth: The First 4.5 Billion Years from Stardust to Living Planet. New York: Penguin, 2013.

Knoll, Andrew H. Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2003.

Schopf, J. William. Cradle of Life: The Discovery of Earth's Earliest Fossils. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1999.

Shaw, George H. Earth's Early Atmosphere and Oceans, and the Origin of Life. Berlin: Springer, 2015.

Ward, Peter, and Joe Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origin and Evolution of Life on Earth. New York: Bloomsbury, 2015.

14. Железистые кварциты

Canfield, Donald E. Oxygen: A Four Billion Year History. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2014.

Hazen, Robert M. The Story of the Earth: The First 4.5 Billion Years from Stardust to Living Planet. New York: Penguin, 2013.

Knoll, Andrew H. Life on a Young Planet: The First Three Billion Years of Evolution on Earth. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2003.

Lane, Nick. Oxygen: The Molecule That Made the World. Oxford: Oxford University Press, 2003.

Schopf, J. William. Cradle of Life: The Discovery of Earth's Earliest Fossils. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1999.

Shaw, George H. Earth's Early Atmosphere and Oceans, and the Origin of Life. Berlin: Springer, 2015.

Ward, Peter, and Joe Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origin and Evolution of Life on Earth. New York: Bloomsbury, 2015.

15. Турбидиты

Bouma, Arnold H. Turbidites. Springer, Berlin, 1964.

Bouma, Arnold H., and Aart Brouwer, eds. Turbidites. Amsterdam: Elsevier, 1964.

Bouma, Arnold H., William R. Normark, and Neal E. Barnes, eds. Submarine Fans and Related Turbidite Systems. Berlin: Springer, 1984.

Bouma, Arnold H., and Charles G. Stone. Fine-Grained Turbidite Systems. Tulsa, Okla.: American Association of Petroleum Geologists, 2000.

Pettijohn, F. J. Memoirs of an Unrepentant Field Geologist: A Candid Profile of Some Geologists and Their Science, 1921–1981. Chicago: University of Chicago Press, 1984.

Weimer, Paul, and Martin H. Link, eds. Seismic Facies and Sedimentary Processes of Submarine Fans and Turbidite Systems. Berlin: Springer, 1991.

16. Диамиктиты

Hazen, Robert M. The Story of the Earth: The First 4.5 Billion Years from Stardust to Living Planet. New York: Penguin, 2013.

Macdougall, Doug. Frozen Earth: The Once and Future Story of Ice Ages. Berkeley: University of California Press, 2013.

Mawson, Douglas. Home of the Blizzard: A Heroic Tales of Antarctic Exploration and Survival. New York: Skyhorse, 2013.

Roberts, David. Alone on the Ice: The Greatest Survival Story in the History of Explorations. New York: Norton, 2014.

Schopf, J. William. Cradle of Life: The Discovery of Earth's Earliest Fossils. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1999.

Schopf, J. William, and Cornelis Klein, eds. The Proterozoic Biosphere: A Multidisciplinary Study. Cambridge: Cambridge University Press, 1992.

Shaw, George H. Earth's Early Atmosphere and Oceans, and the Origin of Life. Berlin: Springer, 2015.

Walker, Gabrielle. Snowball Earth: The Story of a Maverick Scientist and His Theory of Global Catastrophe That Spawned Life as We Know It. New York: Broadway, 2004.

Ward, Peter, and Joe Kirschvink. A New History of Life: The Radical New Discoveries About the Origin and Evolution of Life on Earth. New York: Bloomsbury, 2015.

17. Экзотические террейны

Fortey, Richard. Trilobites: Eyewitness to Evolution. New York: Vintage, 2001.

Levi-Setti, Riccardo. Trilobites: A Visual Journey. Chicago: University of Chicago Press, 2014.

Prothero, Donald R. Bringing Fossils to Life: An Introduction to Paleobiology. 3rd ed. New York: Columbia University Press, 2013.

Prothero, Donald R., and Robert H. Dott Jr. Evolution of the Earth. 8th ed. New York: McGraw-Hill, 2010.

18. Породы, ставшие деталями пазла

Greene, Mott T. Alfred Wegener: Science, Exploration, and the Theory of Continental Drift. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2015.

McCoy, Roger M. Ending in Ice: The Revolutionary Ideas and Tragic Expedition of Alfred Wegener. Chicago: University of Chicago Press, 2006.

Oreskes, Naomi. Plate Tectonics: An Insider's History of the Modern Theory of the Earth. New York: Westbury, 2003.

Oreskes, Naomi. The Rejection of Continental Drift: Theory and Method in American Science. New York: Oxford University Press, 1999.

Wegener, Alfred. The Origin of Continents and Oceans. New York: Dover, 2011.

19. Мел

Everhart, Michael J. Oceans of Kansas: A Natural History of the Western Interior Sea. Bloomington: Indiana University Press, 2005.

Huxley, Thomas Henry. On a Piece of Chalk. New York: Scribner's, 1967.

Skelton, Peter W., Robert A. Spicer, Simon P. Kelley, and Iain Gilmour. The Cretaceous World. Edited by Peter W. Skelton. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.

Smith, Andrew B., and David J. Batten, eds. The Palaeontological Association Field Guide to Fossils, Fossils of the Chalk. 2nd ed. London: Wiley-Blackwell, 2002.

20. Иридиевый слой

Alvarez, Walter. T. Rex and the Crater of Doom. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1997.

Archibald, J. David. Dinosaur Extinction and the End of an Era: What the Fossils Say. New York: Columbia University Press, 1996.

Archibald, J. David. Extinction and Radiation: How the Fall of the Dinosaurs Led to the Rise of the Mammals. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2011.

Dingus, Lowell, and Timothy Rowe. The Mistaken Extinction: Dinosaur Evolution and the Origin of Birds. New York: Freeman, 1997.

Keller, Gerta, and Andrew Kerr, eds. Volcanism, Impacts, and Mass Extinctions: Causes and Effects. Geological Society of America Special Paper 505. Boulder, CO: GSA, 2014.

Keller, Gerta, and Norman McLeod. Cretaceous-Tertiary Mass Extinctions: Biotic and Environmental Change. New York: Norton, 1996.

Officer, Charles, and Jake Page. The Great Dinosaur Extinction Controversy. New York: Helix, 1996.

Powell, James Lawrence. Night Comes to the Cretaceous: Dinosaur Extinction and the Transformation of Modern Geology. New York: St. Martin's, 1998.

21. Природные магниты

Butler, Robert F. Paleomagnetism: Magnetic Domains to Geologic Terranes. London: Blackwell, 1991.

Cox, Allan, ed. Plate Tectonics and Geomagnetic Reversals. San Francisco: Freeman, 1973.

Cox, Allan, and R. B. Hart. Plate Tectonics: How It Works. New York: Wiley-Blackwell, 1986.

McElhinny, Michael W., and Phillip L. McFadden. Paleomagnetism: Continents and Oceans. New York: Academic, 2000.

Molnar, Peter. Plate Tectonics: A Very Short Introduction. New York: Oxford University Press, 2015.

Oreskes, Naomi. Plate Tectonics: An Insider's History of the Modern Theory of the Earth. New York: Westview, 2003.

Tauxe, Lisa. Essentials of Paleomagnetism. Berkeley: University of California Press, 2010.

22. Голубые сланцы

Cox, Allan, ed. Plate Tectonics and Geomagnetic Reversals. San Francisco: Freeman, 1973.

Cox, Allan, and R. B. Hart. Plate Tectonics: How It Works. New York: Wiley-Blackwell, 1986.

Felt, Hali. Soundings: The Story of the Remarkable Woman Who Mapped the Ocean Floor. New York: Holt, 2013.

Molnar, Peter. Plate Tectonics: A Very Short Introduction. New York: Oxford University Press, 2015.

Oreskes, Naomi. Plate Tectonics: An Insider's History of the Modern Theory of the Earth. New York: Westview, 2003.

23. Трансформные разломы

Collier, Michael. A Land in Motion: California's San Andreas Fault. Berkeley: University of California Press, 1999.

Cox, Allan, ed. Plate Tectonics and Geomagnetic Reversals. San Francisco: Freeman, 1973.

Cox, Allan, and R. B. Hart. Plate Tectonics: How It Works. New York: Wiley-Blackwell, 1986.

Dvorak, John. Earthquake Storms: The Fascinating History and Volatile Future of the San Andreas Fault. New York: Pegasus, 2014.

Hough, Susan E. Finding Fault in California: An Earthquake Tourist's Guide. Missoula, MT: Mountain Press, 2004.

Molnar, Peter. Plate Tectonics: A Very Short Introduction. New York: Oxford University Press, 2015.

Oreskes, Naomi. Plate Tectonics: An Insider's History of the Modern Theory of the Earth. New York: Westview, 2003.

Winchester, Simon. A Crack in the Edge of the World: America and the Great California Earthquake of 1906. New York: Harper Perennial, 2006.

Yeats, Robert S., Kerry E. Sieh, and Clarence R. Allen. Geology of Earthquakes. Oxford: Oxford University Press, 1997.

24. Мессинские эвапориты

Bascom, Willard. A Hole in the Bottom of the Sea: The Story of the Mohole Project. New York: Doubleday, 1961.

Briggs, Peter. 200,000,000 Years Beneath the Sea: The Story of the Glomar Challenger – The Ship that Unlocked the Secrets of the Oceans and Their Continents. New York: Holt, 1971.

Hsü, Kenneth J. Challenger at Sea: A Ship That Revolutionized Earth Science. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1992.

Hsü, Kenneth J. The Mediterranean Was a Desert: A Voyage of the Glomar Challenger. Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1983.

25. Ледниковые эрратические валуны

Gribbin, John, and Mary Gribbin. Ice Age: The Theory That Came in from the Cold! New York: Barnes and Noble, 2002.

Imbrie, John, and Katherine Palmer Imbrie. Ice Ages: Solving the Mystery. Cambridge: Harvard University Press, 1979.

Macdougall, Doug. Frozen Earth: The Once and Future Story of the Ice Ages. Berkeley: University of California Press, 2013.

Ruddiman, William F. Earth's Climate: Past and Future. 3rd ed. New York: Freeman, 2013.

Woodward, Jamie. The Ice Age: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press, 2014.

Общая стратиграфическая (геохронологическая) шкала (по состоянию на 2024 г.)

* Геохронологический возраст указан по Глобальной шкале геологического времени на 2023/09 (International chronostratigraphic chart).

Возраст границ подразделений Общей стратиграфической шкалы, которые не совпадают с Международной стратиграфической шкалой, не указывается, за исключением возраста подразделений докембрия, частично кембрия и перми, приведенных по Стратиграфическому кодексу (2019).

(~) Приблизительный возраст границ ярусов, для которых не утвержден стратотип границы или нет рассчитанного геохронологического возраста

Сноски

1

Здесь и далее перевод Е. Поникарова, если не указано иное.

(обратно)

2

Греки отождествляли этот район с Флегрейскими полями (от др.-греч. φλέγω – «гореть») – местом гигантомахии, в греческой мифологии сражения олимпийских богов и гигантов. – Здесь и далее примечания переводчика, если не указано иное.

(обратно)

3

В квадратных скобках здесь и далее примечания автора.

(обратно)

4

Античная поговорка, в разных вариантах встречающаяся у Эсхила, Вергилия, Теренция, Фукидида.

(обратно)

5

Письма Плиния Младшего / Изд. подг. М. Е. Сергеенко, А. И. Доватур. М.: Наука, 1982. Книга VI, письмо 16 (Серия: Литературные памятники). С. 105–106.

(обратно)

6

Там же. Письмо 20. С. 108–110.

(обратно)

7

Самолеты в момент извержения вулкана находились на аэродроме близ Помпеев, где они базировались. Это непоправимое повреждение бомбардировщиков от стихии стало самой крупной небоевой потерей союзников во Второй мировой войне. – Прим. ред.

(обратно)

8

Оригинальные немецкие названия Ötztal и Ötzi.

(обратно)

9

Слайс – пластина океанической коры, срезанная пологими тектоническими нарушениями и надвинутая на континент. – Прим. науч. ред.

(обратно)

10

Англ. pillow lava eruption. – Прим. ред.

(обратно)

11

В переводе с латыни gabbro – «ровный», «гладкий». – Прим. ред.

(обратно)

12

От лат. accretio – «приращение, увеличение». – Прим. ред.

(обратно)

13

Книга Пифея «Об океане» до нас не дошла; сохранились лишь упоминания о ней у других авторов.

(обратно)

14

Диодор Сицилийский. Историческая библиотека. Книга V, глава 22. Пер. О. П. Цыбенко. Белерий – современный мыс Лендс-Энд на оконечности Корнуолла. Бабка – кость надкопытного сустава. Иктис – скорее всего, нынешняя гора Святого Михаила: это островок в заливе Маунтс-Бэй в Корнуолле, который соединяется с материком во время отлива.

(обратно)

15

От лат. stannum – «олово». Имеется в виду так называемое Станнарное право (англ. Stannary law), распространявшееся начиная со Средневековья исключительно на добытчиков олова в Корнуолле и Девоне. Все труженики этой отрасли в королевстве выводились из-под судов любой другой юрисдикции. Формально свод этих правил до сих пор остается частью законодательства Великобритании, хотя практически уже не имеет значения. – Прим. ред.

(обратно)

16

Фраза в такой форме, приписанная Наполеону, впервые появилась только в 1862 г. в американской газете The Springfield Daily Republican. До этого в 1858 г. Томас Карлейль приписал Фридриху Великому близкий по выражению афоризм: «Армия, как змея, двигается на своем животе».

(обратно)

17

Интрузия – внедрение магматического расплава в твердые породы, а также само тело, образовавшееся при застывании такой магмы.

(обратно)

18

Герцинская (варисцийская) складчатость – период тектонических процессов с середины девона до начала триаса.

(обратно)

19

Объектом Всемирного культурного наследия ЮНЕСКО признан Горный ландшафт Корнуолла и Западного Девона. С 2006 г. частью этого комплекса стал и бывший рудник Гивор. – Прим. ред.

(обратно)

20

Латинское обозначение сланцев, которое использовалось во времена Хаттона. – Прим. ред.

(обратно)

21

Силл – пластообразное интрузивное тело, параллельное окружающим слоям; образуется, когда магма внедряется вдоль пластов.

(обратно)

22

Изначально поселение, ставшее впоследствии городом Бат (англ. Bath – «баня»), было основано в середине I в. римлянами, называвшими его Aquae Sullis (лат. «Воды Сулис») – в честь кельтской богини мудрости (соответствующей римской Минерве), покровительницы целебных вод. Место привлекло богатством термальных источников, которые действуют здесь и поныне. После ухода римлян с этой территории курорт долго оставался заброшенным. Его новый расцвет начался в XVIII в. – Прим. ред.

(обратно)

23

Зловонный (англ. stinking) пласт получил свое название из-за содержания серы. Термин «кошачья голова» (cat's head) относили к конкреции ожелезненного песчаника. Пласт «Три угля» состоял из трех угольных пропластков. Уголь из Павлиньего пласта напоминал по рисунку хвост павлина. Фатом – английская единица измерения длины, равная 6 футам (около 188 см).

(обратно)

24

Был принят Конгрессом США. В дальнейшем в документ вносились новые ограничения. – Прим. ред.

(обратно)

25

Работники геодезической службы дали название beef (англ. «говядина») за прослойки волокнистого кальцита.

(обратно)

26

Камеры в раковинах у этих аммонитов часто заполнены зеленоватым кальцитом.

(обратно)

27

Сornbrash – изначально местное название почвы, пригодной для выращивания зерна.

(обратно)

28

На рисунке выше отражены геологические эры (кайнозой, мезозой, палеозой) и входящие в них системы (периоды). Однако кайнозой на приведенном рисунке подразделяется не на системы, а на эпохи (палеоцен, эоцен и т. д.), на которые системы делятся. Общепринятую стратиграфическую шкалу см. здесь. – Прим. науч. ред.

(обратно)

29

Высшая награда Геологического общества Лондона.

(обратно)

30

Эти слова Резерфорда приводятся в статье, опубликованной в газете The New Zealand Herald 19 мая 2004 г. в честь 100-летия исторического выступления знаменитого физика в Королевском институте Великобритании. – Прим. ред.

(обратно)

31

В странах Британского Содружества университетская должность на ступень ниже профессорской.

(обратно)

32

Elbert King. Moon Trip: A Personal Account of the Apollo Program and Its Science. University of Houston, Houston, Texas. – Прим. ред.

(обратно)

33

От др.-греч. χόνδρος – «зерно». – Прим. ред.

(обратно)

34

От англ. calcium-aluminum-rich inclusions. – Прим. ред.

(обратно)

35

Англ. lunatic – «душевнобольной».

(обратно)

36

Кроме нагрева, в аппарате использовались электрические разряды, имитировавшие удары молний. Нужно отметить, что выбор газов был в определенной степени условен, поскольку ученые не знали состав атмосферы древней Земли. Юри предположил, что он аналогичен атмосфере внешних планет Солнечной системы.

(обратно)

37

Впервые эти слова Спилберга были приведены в статье о режиссере критика Роджера Эберта. См. The Moviemaker Steven Spielberg. By Roger Ebert. Time. 8 июня 1998 г. – Прим. ред.

(обратно)

38

По правилам Совета США по географическим названиям природные объекты такого рода называются по ближайшему почтовому отделению, поэтому кратер и получил сначала название города.

(обратно)

39

Имеется в виду журнал Science («Наука»), который стал изданием АААS в 1900 г. – Прим. ред.

(обратно)

40

Молтона пригласили для консультации сами руководители Standard Iron Company, разочарованные тем, что поиски ничего не дают.

(обратно)

41

Установившаяся скорость падения – предельная постоянная скорость падения тела в атмосфере, когда сила сопротивления воздуха равна силе гравитации.

(обратно)

42

Англ. gemini – «близнецы». – Прим. ред.

(обратно)

43

Официально Эдвин Олдрин сменил свое имя на данное ему с детства сестренкой прозвище Базз в 1988 г. – Прим. ред.

(обратно)

44

Бледно-голубая точка (англ. Pale Blue Dot) – так выглядит наша планета на знаменитой фотографии Земли, сделанной космическим аппаратом «Вояджер-1» с расстояния в 6 млрд км. Словосочетание было предложено американским астрономом Карлом Саганом и стало культовым. – Прим. ред.

(обратно)

45

Для центробежного отделения Луны Земля должна была вращаться гораздо быстрее, чем сейчас. Непонятно, откуда у Земли взялся этот момент импульса и почему он потом исчез.

(обратно)

46

Популярный американский комик, писатель и телеведущий. – Прим. ред.

(обратно)

47

Первые фотографии обратной стороны Луны сделала советская станция «Луна-3» в 1959 г.

(обратно)

48

Moon in June – песня британской рок-группы Soft Machine.

(обратно)

49

Это ставшее популярным высказывание не содержится ни в одном из трудов Ньютона и, возможно, приписывается ученому; впервые цитата была приведена (без убедительного указания на источник) в сборнике занимательных анекдотов историка и литератора ХVIII в. Джозефа Спенса, опубликованном в 1820 г. – Прим. ред.

(обратно)

50

Также этот искусственный минерал называют фианитом.

(обратно)

51

Great Slave Lake. – Прим. ред.

(обратно)

52

Примерами метаморфических пород могут служить, в частности, мрамор, сланец и гнейс. – Прим. ред.

(обратно)

53

Ученый получил это прозвище за свои непримиримые полемические выступления в защиту эволюционной теории. – Прим. ред.

(обратно)

54

От лат. concretio – «стяжение, сгущение». – Прим. ред.

(обратно)

55

Американский фотограф, известный, помимо прочего, снимками, запечатлевшими примеры необратимого вторжения цивилизации в природу. Среди фотоциклов Майзеля есть, в частности, «Горнорудный проект» (Mining project). – Прим. ред.

(обратно)

56

Англ. Banded iron formation, или BIF; принятая в геологии аббревиатура. В оригинале данный раздел главы называется «BIFs, GIFs and LIPs». Далее в тексте эти обозначения разъясняются. – Прим. ред.

(обратно)

57

Соответствует англ. термину Large igneous provinces (LIP). – Прим. ред.

(обратно)

58

Англ. Granular iron formations. – Прим. ред.

(обратно)

59

От англ. Great Oxidantion Event – букв. «Великое кислородное событие». – Прим. ред.

(обратно)

60

Процесс растворения или разложения одних горных пород и образования из них других. В химическом выветривании участвуют атмосферный кислород, вода и вещества, которые в ней растворены. – Прим. ред.

(обратно)

61

От нем. grau – «серый» и Wacke – «глина». – Прим. ред.

(обратно)

62

От лат. turbidus – «мутный, взбаламученный». – Прим. ред.

(обратно)

63

Англ. badlands (букв. «дурные земли») – непригодные для земледелия расчлененные территории со сложным рельефом, образовавшимся из-за того, что водяная и ветровая эрозия сильно воздействовала на мягкие осадочные породы.

(обратно)

64

Имеется в виду Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова – старейшее метеорологическое учреждение России. М. И. Будыко (1920–2001) был с 1954 г. директором обсерватории. С 1992 г. академик РАН. Ученого считают отцом отечественной климатологии, он являлся признанным мировым авторитетом, предсказавшим, в частности, неизбежность глобального потепления. – Прим. ред.

(обратно)

65

Лат. albedo означает в переводе «белизна». Термин был введен в оптику Иоганном Генрихом Ламбертом в его работе 1760 г. «Фотометрия». – Прим. ред.

(обратно)

66

Англ. Snowball Earth. – Прим. ред.

(обратно)

67

Террейн (англ. terranе, от фр. terrain – «участок земли, местность») – ограниченное разломами геологическое тело регионального масштаба в составе складчатого пояса, которое характеризуется особенностями и тектонической историей, отличающей его от соседних геологических тел. – Прим. ред.

(обратно)

68

Лат. sutura – «шов». – Прим. ред.

(обратно)

69

Др.-греч. ἄγνωστος – «непознаваемый».

(обратно)

70

Англ. Ley Lines – магические силовые линии, на которых якобы расположены древние памятники, курганы и т. д.

(обратно)

71

Джордж Калверт Балтимор получил тогда в свое распоряжение штат Мэриленд. В честь этого английского колониста в Мэриленде назван город Балтимор. – Прим. ред.

(обратно)

72

Это название гора получила в 1896 г. в честь избранного тогда президентом США Уильяма Мак-Кинли. – Прим. ред.

(обратно)

73

Креационизм (от лат. creatio – «творение») – религиозное и философское учение, согласно которому Земля и жизнь на ней сотворены Богом и возраст Земли соответствует указанному в тексте Библии.

(обратно)

74

На русском языке главная книга Вегенера вышла впервые уже в 1925 г. См. Вегенер А. Возникновение материков и океанов. – Л.: Госиздат, 1925. XIV, 147 с. (Современные проблемы естествознания; Кн. 24). Впоследствии этот труд в нашей стране неоднократно переиздавался. – Прим. ред.

(обратно)

75

Спикулы – минеральные элементы скелета губок.

(обратно)

76

В тот же год Нобелевской премии по физике был удостоен также П. Л. Капица – «За фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур». – Прим. ред.

(обратно)

77

Вельтшмерц (нем. Weltschmerz, от Welt – «мир» и Schmerz – «боль») – «мировая скорбь», пессимистическое настроение и разочарование в мире, модное у некоторых романтиков XIX в.

(обратно)

78

От лат. gradatio – «постепенное изменение». Представление, что в природе даже значительные трансформации происходят медленно и поэтапно.

(обратно)

79

В оригинале употреблено англ. lodestones (lode – «рудная жила»), буквально «камень с большим количеством железа»; соответствует понятию «магниты, магнитные камни». – Прим. ред.

(обратно)

80

Пер. Г. А. Ткаченко.

(обратно)

81

Полное название «De magnete, magneticisque corporibus et de Magno Magnete Tellure» («О магните, магнитных телах и большом магните – Земле»).

(обратно)

82

В древности существовали и другие мнения о магните. Например, вышеупомянутый Фалес Милетский считал, что у магнита есть душа, поскольку только существа с душой могут приводить в движение другие объекты.

(обратно)

83

Система эпициклов была известна за несколько веков до Птолемея; он обобщил и усовершенствовал труды предшественников.

(обратно)

84

Англ. guyots, в честь Arnold Guyot. – Прим. ред.

(обратно)

85

Имеется в виду программа Rosetta Stone; ее слоган – «Изучайте язык, а не слова!», а логотип представляет собой символическое изображение Розеттского камня.

(обратно)

86

От 20 до 30 км.

(обратно)

87

Англ. Technology, entertainment, design – «Технологии, развлечения, дизайн»; американский некоммерческий фонд, известный в том числе ежегодными конференциями под слоганом «Идеи, стоящие распространения».

(обратно)

88

Англ. Hero of Plate Tectonics Award. В шуточной надписи обыгрывались разные значения английского слова plate – «тарелка» и «плита». – Прим. ред.

(обратно)

89

Англ. City by the Bay. Одно из неофициальных обозначений Сан-Франциско.

(обратно)

90

Около 2 650 000 л.

(обратно)

91

Порода крупного рогатого скота.

(обратно)

92

Известно, что причиной значительной части пожаров в городе стало не землетрясение, а поджоги, совершенные самими домовладельцами: дело в том, что пожар считался страховым случаем, а землетрясение к этому разряду бедствий не относилось.

(обратно)

93

По названию горного пика, в 10 км от которого находился эпицентр землетрясения. – Прим. ред.

(обратно)

94

В Геологической службе США квадрант – топографическая карта, отображающая определенный участок площадью примерно 130–180 кв. км.

(обратно)

95

Отсылка к строке «From the ashes of disaster grow the roses of success!» («Из пепла бедствия растут розы успеха») из популярной песни «The Roses of Success», прозвучавшей в фильме-мюзикле 1968 г. «Chitty Chitty Bang Bang»; в российском прокате фильм шел под названием «Пиф-паф ой-ой-ой».

(обратно)

96

American Miscellaneous Society (букв. «Американское разнородное общество»). – Прим. ред.

(обратно)

97

Гомер. «Одиссея». Песнь двенадцатая. Пер. В. А. Жуковского.

(обратно)

98

Гомер. «Одиссея». Песнь двенадцатая. Пер. В. А. Жуковского.

(обратно)

99

В оригинале используются англоязычные идиомы с тем же значением: on the horns of a dilemma (букв. «на рогах дилеммы»), between a rock and a hard place («между камнем и твердым местом») и др.

(обратно)

100

От лат. evaporo – «испаряю»; отложения, образовавшиеся после выпадения осадка из перенасыщенных водных растворов.

(обратно)

101

Имеется в виду Суэцкий кризис, происходивший с октября 1956 по март 1957 г. Правительство Египта национализировало принадлежавшую иностранцам Компанию Суэцкого канала, которая управляла им с 1859 г. На период кризиса канал был закрыт. – Прим. ред.

(обратно)

102

Абисса́льная зона (греч. ἄβυσσος – «бездонный») – район наибольших морских глубин (от 3000 м). – Прим. ред.

(обратно)

103

Конус выноса – скопление аллювиальных отложений (галька, песок, глина) в виде конуса в устье горной реки или балки, когда они выходят на равнину.

(обратно)

104

Сейчас Гаргано – полуостров («шпора» итальянского сапога).

(обратно)

105

Отсылка к названию книги Эдмунда Боллеса «Ледовые исследователи: как поэт, профессор и политик открыли Ледниковый период» (Edmund Blair Bolles. «The ice finders: how a poet, a professor, and a politician discovered the Ice Age»). Строго говоря, будучи крупным авторитетом своего времени, Чарльз Лайель не был ни политиком, ни государственным деятелем и всю жизнь занимался только наукой.

(обратно)

106

Должность janitor, которую занимал Джеймс Кролль в музее Андерсоновского института (ныне Стратклайдский университет Глазго), предполагает исполнение ряда хозяйственно-технических функций: комендант, смотритель, сторож, уборщик, дворник и т. п. Не исключено, что Кролль совмещал разные обязанности. На сайте Стратклайдского университета отмечается, что он остается «непроясненной до конца» фигурой. При этом исследователь несомненно входит в число исторических личностей, которыми гордится университет. – Прим. ред.

(обратно)

107

Эксцентриситет – параметр, характеризующий «вытянутость» орбиты. У окружности он равен 0, у эллипса соответствует значениям между 0 и 1.

(обратно)

108

Эти строки Миланкович писал в местечке Нойзидль-ам-Зе, где ждал перевода в крепость Осиек.

(обратно)

109

Ученому помог его бывший преподаватель – австрийский математик профессор Эммануил Субер. Он подал прошение об освобождении Миланковича из тюрьмы и переводе в Будапешт, где Миланкович, будучи гражданином враждебного государства, ходил отмечаться в полицейский участок.

(обратно)

Оглавление

Предисловие

01. Гнев вулкана: извержение Везувия Вулканический туф

  Огонь богов

  Историк катастрофы

  Последствия

02. Ледяной человек и остров меди Самородная медь

  Появление ледяного человека

  Медный остров

  Слайс океана[9]

  На дне океана

03. «Оловянные острова» и Бронзовый век Касситерит

  На край земли

  Корнуоллские оловодобытчики

  Откуда взялось олово?

  Крах оловянной империи

04. «Ни следов начала»: необъятность геологического времени Угловое несогласие

  В начале…

  Просвещение

  Джеймс Хаттон

  Униформизм

05. «Великая тепловая машина земли»: происхождение магмы Магматические дайки

  Нептунизм против плутонизма

  Долина реки Тилт и утесы Солсбери

  Динамичная Земля

06. Камень, который горит. Промышленная революция Уголь

  Кусок угля

  Промышленная революция

  «Угленосная свита»

  Угольное проклятье

07. Карта, изменившая мир: Уильям Смит и горные породы Британии Мир Юрского периода

  Разрез Земли

  Фаунистическая преемственность

  Тюрьма и признание

08. Часы в камне: Артур Холмс и возраст Земли Радиоактивный уран

  Тупик

  Она радиоактивна!

  Геологическое время

  Игры с датировкой

  Пионер тектоники плит

09. Посланцы из космоса: происхождение солнечной системы Хондриты

  Гром среди ясного неба

  Следы ранней солнечной системы

  Жизнь в метеоритах?

10. Ядра других планет Железоникелевые метеориты

  Кратер споров

  Гости с неба

  Фрагменты ядра

  Свинец повсюду

11. Зеленый сыр или анортозит? Происхождение Луны Лунные камни

  Гигантский скачок…

  Сестра, дочь или захват?

  Удар!

  Власть Луны

12. Древние океаны и жизнь? Свидетельство песчаного зерна Цирконы

  Дороже бриллиантов

  Кто на первом месте?

  Прохладная Земля

13. Многоэтажки микроорганизмов: цианобактерии и древнейшая жизнь Строматолиты

  Дилемма Дарвина

  Псевдоокаменелость или настоящая окаменелость?

  Залив Шарк

  Планета этого грязного налета

14. Горы железа: древняя атмосфера Земли Железистые кварциты

  Железные кряжи

  Железистые формации и крупные магматические провинции

  «Кислородный холокост»

15. Архейские отложения и подводные оползни Турбидиты

  Фрагмент головоломки № 1: Тайна оборванных кабелей

  Фрагмент головоломки № 2: Тайна сортированной слоистости

  Фрагмент головоломки № 3: Турбидитные потоки

  Головоломка решена!

16. Тропические ледники и земля-снежок Диамиктиты

  Австралийская головоломка

  Сэндвич из ледниковых отложений с известняком

  Снежок появляется

  Снежок начинает расти

  Из снега или из снежуры?

17. Парадокс в горных породах: блуждающие окаменелости и странствующие массивы суши Экзотические террейны[67]

  Парадоксальные трилобиты

  Затерянный континент Авалония

  Экзотические террейны

18. Альфред Вегенер и дрейф материков Породы, ставшие деталями пазла

  Презираемый и отверженный…

  Фрагмент головоломки № 1: Совпадающие, как детали пазла, породы

  Фрагмент головоломки № 2: Климатические пояса не в том месте

  Решение в океанских глубинах

19. Западное внутреннее море и парниковая планета Мел

  Белые скалы Дувра

  Что такое мел?

  Мелкие моря парникового мира Мелового периода

20. Смерть динозавров Иридиевый слой

  Открытие по случаю

  Случай на Апеннинах

  Воздействие удара

  Что говорят окаменелости?

  Метаанализ

21. Как палеомагия дала начало тектонике плит Природные магнетиты

  Фрагмент головоломки № 1: Магнетиты и магнетизм Земли

  Фрагмент головоломки № 2: Линии блуждания полюсов

  Фрагмент головоломки № 3: Магнитное поле земли изменило направление!

  Фрагмент головоломки № 4: Полосы на морском дне

  Розеттский камень для океанского дна

22. Загадка зон субдукции Голубые сланцы

  Фрагмент головоломки № 1: Путешествие на дно моря

  Азия

  Фрагмент головоломки № 2: Зона сильных землетрясений

  Фрагмент головоломки № 3: Холодная под давлением

  Фрагмент головоломки № 4: Хаотично перемешанные породы

  Решение № 1: Субдукция ведет к орогенезу

  Фрагмент головоломки № 5: Великое аляскинское землетрясение

  Решение № 2: Комплекс зоны субдукции

23. Землетрясение! Разлом Сан-Андреас Трансформные разломы

  Сан-Франциско, 1906

  Рождение современной сейсмологии

  Мифы о землетрясениях

  Разлом Сан-Андреас

  Поразительный сдвиг

  Трансформации в трансформном разломе

24. Средиземноморье было пустыней Мессинские эвапориты

  Из пепла бедствия…[95]

  …Растут розы успеха

  Фрагмент головоломки № 1: Сцилла и Харибда

  Фрагмент головоломки № 2: Большой каньон Нила

  Фрагмент головоломки № 3: Скважина на дне океана

  Решение: гигантское мертвое море

25. Поэт, профессор, политик, уборщик и открытие ледниковых периодов Ледниковые эрратические валуны

  Фрагмент головоломки № 1: Странствующие валуны

  Фрагмент головоломки № 2: цАрапины на камне

  Решение: агассис и eiszeit

  Риск и смерть в Гренландии

  Шотландский уборщик и сербский математик

  Решение: планктон и ритмоводитель ледниковых периодов

Благодарности

Дополнительная литература