Древнейшие породы Земли

Зеленокаменный пояс Нуввуагиттук не похож на поле битвы. Он протянулся вдоль северо-восточного побережья Гудзонова залива, вдали от дорог, водном из безлюдных местечек Канады от него до ближайшего поселения Ипукджуак более 30 км. Здесь со стороны моря видны невысокие холмы, часть которых покрыта лишайниками, другие отшлифованы до основания ледниками во время оледенений. Обнаженные выступы коренных пород во всей красе раскрывают свою сложную складчатую структуру. Одни серые с черным, испещренные светлыми жилами, другие розоватые с гранатово-красными вкраплениями. Но большую часть года эту красоту наблюдают только карибу и комары.

Однако этот тихий уголок природы стал полем брани для ученых. Вот уже почти десять лет соперничающие геологические партии прибывают в Инукджуак, где они грузят в каноэ полевое снаряжение и лабораторное оборудование и направляются вдоль берега залива к самому зеленокамеииому поясу. Их цель — точное определение возраста горных пород. Одна такая партия, возглавляемая Стивеном Можисом (Stephen J. Mojzsis), геологом Университета Колорадо, стоит на том, что возраст этих пород насчитывает 3,8 млрд лет: это довольно большой, хотя и не рекордный показатель.

Однако этот тихий уголок природы стал полем брани для ученых. Вот уже почти десять лет соперничающие геологические партии прибывают в Инукджуак, где они грузят в каноэ полевое снаряжение и лабораторное оборудование и направляются вдоль берега залива к самому зеленокаменному поясу. Их цель— точное определение возраста горных пород. Одна такая партия, возглавляемая Стивеном Можисом (Stephen J. Mojzsis), геологом Университета Колорадо, стоит на том, что возраст этих пород насчитывает 3.8 млрд лет: это довольно большой, хотя и не рекордный показатель.

Джонатан О’Нейл (Jonathan O’Neil), который руководит группой ученых из Оттавского университета, придерживающихся иной точки зрения, утверждает, что нуввуагиттукские породы были образованы 4,4 млрд лет назад. В таком случае это самые древние когда-либо найденные на Земле породы. Но это еще не все. Старые скалы могли бы поведать нам о том, как формировалась поверхность нашей планеты в период ее буйного младенчества и как скоро после этого появилась жизнь, — все это представляет важнейшую главу в биографии Земли, которая до сих пор остается непознанной.

Первые полмиллиарда лет исторического развития Земли, начиная с отметки 4,568 млрд лет до 4 млрд лет назад, составляет период образования океанов ливневыми водными потоками, когда первые участки суши поднялись над уровнем моря, чтобы стать континентами. Это было то время, когда кометы и астероиды падали на Землю и когда, возможно, с нашей планетой столкнулась одна не выдержавшая испытаний планета размером с Марс и из обломков явилась Луна. Но у геологов очень мало временных привязок к тем событиям, в их числе несколько образцов минералов, по которым можно предположить, что океаны возникли раньше Луны. Ученые оказались в ситуации, схожей с положением биографов древнегреческих философов, стремящихся выжать как можно больше значимой информации из обрывков манускриптов и пересказанных историй.

Если О’Нейл прав и нуввуагиттукским породам на самом деле 4,4 млрд лет, то в них заключены не клочки информации, а целые книги. Сотни гектаров обнажений горных пород— вот готовое поле для исследований, где, вероятно, скрыты разгадки стародавних таинственных историй. Созревала ли Земля в течение сотен миллионов лет, пока не пришли в движение континенты и океаническая кора, или тектонические движения плит начались довольно рано? Что за химические процессы происходили в молодых океанах и атмосфере? И как скоро после образования Земли на ней появилась жизнь?

Если прав Можис, то первые главы истории Земли останутся пока скрытыми. Если прав О’Нейл — нуввуагиттукские породы становятся одними из самых драгоценных для геологии.

Заключенные в камне

Подобно другим составляющим земной коры, горные породы Нуввуагиттука образовались одним из двух способов. В одних случаях мелкие частицы оседали на дне океанов, где они постепенно уплотнялись и образовывали пласты осадочных пород. В других расплавленная магма поднималась из мантии Земли, при подъеме охлаждаясь, кристаллизуясь и образуя магматические породы.

Древняя кора практически исчезла, лишь малые ее участки остались нетронутыми в таких местах, как Нуввуагиттук. Некоторые породы медленно подвергались дождевой и ветровой эрозии и пополняли осадки в океане. Другие были снесены под земную кору литосферными плитами при их погружении в жаркую мантию, где они расплавлялись, а первозданные черты пород исчезали, как кубик льда, брошенный в теплую воду. Составляющие эти породы атомы перемешивались в магме, и появлялись другие молодые породы.

Горные породы стирались с лица юной Земли и гигантскими астероидами, которые разбивались о нашу планету и расплавляли большие участки земной коры. Около 4,4 млрд лет назад в результате одного такого столкновения, названного гигантским, огромное количество вещества было выброшено на орбиту: из него и получилась Луна. -Гигантское столкновение произвело на Земле настоящий хаос. — говорит Ричард Карлсон (Richard W. Carlson) из Института науки Карнеги. — Вам не захотелось бы там присутствовать. Возможно, вы предпочли бы понаблюдать это с Венеры».

С учетом того, что так много древних горных пород было разрушено тем или иным путем, неудивительно, что их образцы так редко встречаются. Вот почему нуввуагиттукские находки столь ценны и вокруг них разгораются столь жаркие споры. Есть только несколько мест на Земле, где можно отыскать образцы, датируемые 3,8 млрд лет. Самые древние найдены в тундре Северо-Западных территорий, им 3.92 млрд лет.

Ввиду того, что породы времен юности Земли встречаются чрезвычайно редко, ученые, чтобы узнать, какой была наша планета в первые сотни миллионов лет своего существования, вынуждены изыскивать иные пути познания. Некоторые разгадки таятся в кристаллах цирконов. Прочные соединения циркония иногда образуются в остывающей магме. Когда породы, полученные в данном процессе, разрушаются, то некоторые из цирконов могут сохраниться неизменными, даже если они опустятся на дно океана и внедрятся в более молодые осадочные породы.

Кристаллы циркона могут содержать радиоактивные атомы. Распад этих атомов может служить геологам часами, по которым измеряется возраст цирконов. Кристаллы цирконов могут содержать и другие примеси, которые могут дать ответы, какой была Земля, когда они образовывались. «Цирконы очень важны, ведь они— своего рода капсулы времени-. — поясняет Стивен Можис.

Во внутренних малонаселенных районах Австралии геологи обнаружили осадочные породы, содержащие чрезвычайно старые цирконы. Некоторые из них (но не включающая их порода) насчитывают 4,4 млрд лет, это самые древние из когда-либо найденных следы геологической истории- Ученые выжали удивительную информацию из этих драгоценных камней после их обнаружения в 2001 г. Изучение их строения показало, что коренная порода, в которой они образовались, застывала на глубине приблизительно 6 км от поверхности Земли. Можис и его коллеги также обнаружили химические следы воды в некоторых из австралийских цирконов.

Данные, добытые специалистами из цирконов осадочных пород, безусловно, представляют большую ценность, но это гораздо меньше, чем можно было бы извлечь из коренных пород, в которых вырастали цирконы. В них содержатся многие другие минералы, которые вместе могут рассказать значительно больше о Земле в период ее формирования. «Если у вас нет горных пород, то вы лишены полного представления», — говорит Ларри Химан (Larry Heaman) из Университета Альберты. И это снова возвращает нас в Нуввуагиттук.

Чистая случайность

В конце 90-х гг. XX в. правительство Квебека отправило солидную геологическую экспедицию для составления подробных карт северных областей провинции. Геологическая структура исследуемого района похожа на луковицу: древние ядра континентальной коры окружены пластами более молодых пород. Возраст большей части горных пород оказался около 2,8 млрд лет. Но Пьер Надо (Pierre Nadeau), аспирант Университета им. Саймона Фрейзера в Британской Колумбии, привез образец, которому 3,8 млрд лет. По счастливой случайности его послали на зеленокаменный пояс Нуввуагиттук. «Найти эти породы — все равно что получить драгоценный камень на блюдечке с голубой каемочкой». — сказал Росс Стивенсон (Ross Stevenson), коллега Надо, в интервью ВВС, после того как они опубликовали результаты своей работы в 2002 г.

Другие геологи также начали прокладывать свой долгий путь в Нуввуагиттук. Среди них был и Джонатан О’Нейл, который работал над диссертацией в Университете Макгилла. Он был поражен сходством химического состава между образцами, привезенными из Нуввуагиттука и из Гренландии, насчитывающими 3.8 млрд лет. Возникло предположение, что они принадлежали одной и той же древней части суши.

Чтобы провести химические испытания, О’Нейл объединился с Ричардом Карлсоном из Института Карнеги, специалистом по точным измерениям древних горных пород. Был только один способ выяснить, насколько древним окажется характерный образец из Нуввуагиттука, — провести его датирование. С этой целью ученые подсчитали концентрации различных радиоактивных изотопов, заключенных в образце породы. Радиоактивные изотопы— разновидности атомов, входящих в состав пыльного облака, из которого родилась наша Солнечная система. Они встраивались в остывающие планеты и метеориты, и когда на Земле формировались горные породы, они внедрялись внутрь. Время шло, а изотопы постепенно распадались с регулярной и неизменной скоростью. В настоящее время, измеряя их соотношения, можно определить возраст пород.

В лаборатории Института Карнеги О’Нейл и Карлсон подсчитали концентрации различных изотопов. Вот тогда-то они и заметили нечто очень странное в образцах из Нуввуагиттука. Среди изотопов был один, известный как неодим-142. Он образуется при распаде самария-146. На Земле этот изотоп не встречается, поскольку период его полураспада короток, по некоторым подсчетам он равен только 68 млн лет. «Его давно уже нет, — говорит Карлсон.— Самарий-146 существовал, когда зарождалась Земля, потому что он был занесен сверхновой, давшей начало Солнечной системе. Затем в течение 500 млн лет он распался».

Карлсон и его коллеги выяснили, что различные породы из Нуввуагиттука имеют различные соотношения неодима-142 и других изотопов неодима. Эти различия могут проявляться, только если породы формировались в то время, когда на Земле еще присутствовал самарий-146. О’Нейл и Карлсон с коллегами сравнили выявленные пропорции, чтобы рассчитать, как же давно были образованы эти породы. Получился результат, которого никто не предвидел: 4,28 млрд лет. К своему удивлению, они обнаружили самые древние породы на Земле.

О’Нейл поясняет, что они ожидали найти нечто совсем другое. Он и его коллеги рассказали о своем открытии в 2008 г. С тех пор исследователи проанализировали другие образцы, и сегодня они подсчитали, что возраст нувуагиттукских пород составляет 4,4 млрд лет.

Древние или древнейшие?

Впервые О’Нейл с коллегами доложил о своих результатах на геологической конференции в Ванкувере. Стивен Можис до сих пор вспоминает потрясение, когда он услышал эту новость: «У меня челюсть отвисла, я увидел, как все буквально остолбенели. Я подумал, как все это странно».

У Можиса были особенные причины удивляться. Он был среди немногих геологов, которые отправились в Нуввуагиттук последам изысканий Пьера Надо. Можис и его коллеги исследовали дайку, заполненную магматическими породами после образования земной коры. В ней оказались цирконы. Вернувшись домой в Колорадо. Можис и его коллеги установили, что этим цирконам 3,75 млрд лет. что совпадало с первоначальными расчетами Надо: 3,8 млрд лет.

Теперь О’Нейл стоял перед Можисом и остальной частью научного сообщества, утверждая, что нуввуагиттукские породы на полмиллиарда лет старше. Коллега Можиса Бернар Бурдон (Bernard Bourdon) из Высшей нормальной школы в Лионе, Франция, попросил у О’Нейла несколько образцов и проверил их снова. Измерения неодима были верны. «Все же это было для меня непостижимо», — говорит Можис.

Итак, в 2011г. Можис со своими студентами отправился в Нуввуагиттук, чтобы продолжить исследования. Они составили карты местности и геологического строения вокруг мест сбора образцов, определенных О’Нейлом. В породах, возраст которых, как предполагалось, составлял 4,4 млрд лет, они заметили ярко-зеленые слои кварцита. Можис решил, что их надо использовать, чтобы проверить, действительно ли нуввуагиттукские породы самые старые на нашей планете.

Геологи наблюдали подобные образования в гораздо более молодых формациях. Такое происходит, когда подводные вулканы разбрасывают расплавленную породу по океаническому ложу. Иногда вулканы затухают, и осадки, принесенные с суши, покрывают изверженные породы. Затем вулканы снова пробуждаются, погребая осадочные породы под свежими слоями вулканических. Если подобное случилось в Нуввуагиттуке, то кварциты произошли из осадочных пород древней суши в один из периодов затухания вулканической деятельности. И если в кварцитах были цирконы, то они должны быть старше вмещающей вулканической породы, поскольку история их образования значительно длиннее.

«Мы проползли на четвереньках множество обнажений». — говорит Можис. После нескольких дней поисков они обнаружили два участка кварцитов с цирконами, причем на одном их были тысячи. Когда эти цирконы привезли в Колорадо, Можис установил, что их возраст равен 3,8 млрд лет. Этого геологи никак не могли ожидать от пород, датируемых 4,4 млрд лет. Группа Можиса подошла к определению возраста пород с разных научных сторон. Они использовали другие хронометрические системы, например основанную на распаде лютеция в гафний. И снова пришли к возрасту 3.8 млрд лет.

Учитывая все эти данные, Можис создал новую версию рассказа о Нуввуагиттуке. Около 4,4 млрд лет назад расплавленная порода поднялась к земной поверхности и затвердела. В процессе кристаллизации она захватила немного радиоактивного быстро распадающегося самария-146. который тогда еще присутствовал на молодой Земле. Но затем древняя кора была затянута в мантию. Весь ее материал нагревался до точки плавления, но не весь смешался с веществом мантии. Остались отдельные включения с характерным содержанием неодимия. Наконец 600 млн лет спустя в результате вулканической деятельности этот материал был вытолкнут на поверхность, из него образовались породы с этими древними включениями, в том числе с признаками возраста 4.4 млрд лет.

«Сам расплав мог хранить черты предшествующей жизни планеты», — говорит Можис. В результате породы возрастом 3,8 млрд лет могли, по-видимому, быть определены как породы, которым 4,4 млрд лет.

Тайна цирконов раскрыта

Можис и его коллеги представляли эти результаты на геологических конференциях, где порой О’Нейл излагал свою противоположную точку зрения, доказывая, что эти породы образовались 4,4 млрд лет назад и с тех пор незыблемо оставались в земной коре. О’Нейл со своей командой вернулся в Нуввуагиттук и собрал дополнительную коллекцию, увеличив число образцов древних пород с десяти до приблизительно 50. Ни один из новых результатов не противоречил первоначальным расчетам возраста пород в данном месте. О’Нейл также отверг доказательства, выдвинутые Можисом и его коллегами в пользу возраста 3,8 млрд лет. -У нас определенные расхождения по поводу геологии данного района», — поясняет О’Нейл.

Рассмотрим кварцитовую жилу, где Можис обнаружил цирконы. В таких древних формациях, как та, что в Нуввуагиттуке, не так просто определить, какие именно породы слагают данное образование, поскольку на протяжении миллиардов лет они были очень сильно деформированы. О’Нейл считает, что кварцитная прослойка не полностью состоит из кварцита. Напротив, он утверждает, что это слой магмы, которая была продавлена в древние породы 3,8 млрд лет назад. Таким образом, возраст цирконов не зависит от возраста окружающих пород. «В этом нет ничего странного или необычного, — говорит О’Нейл по поводу своих образцов. — Они определенно старые». Ларри Химан, будучи экспертом по древним породам, считает, что версия О’Нейла и его соратников обоснованна. «Я думаю, что у них достаточно веские доказательства, — говорит он. — Они провели комплексный анализ». Но Химан также полагает, что будет существовать некоторая неопределенность, пока ученые не смогут найти другого способа определения возраста горных пород. Возможно, в нуввуагиттукских породах затерялось несколько минералов, содержащих уран и свинец. Это сочетание признано достоверным в геохронологии, т.к. исследователи имеют большой опыт в его применении. -Если кто-то смог бы туда поехать, найти нужный материал и установить дату из прошлого, тогда научное сообщество будет склонно признать, что там находятся обнажения древней земной коры». — поясняет Химан.

Когда зародилась жизнь

Если нуввуагиттукским породам в самом деле 4,4 млрд лет, то О’Нейл уверен, что они смогут пролить свет на раннее развитие Земли, поскольку они, вероятнее всего, образовались вскоре после гигантского столкновения. В то же самое время формировались австралийские цирконы на глубине нескольких километров в мантии Земли. О’Нейл утверждает, что нуввуагиттукские породы зародились на поверхности Земли. Он также говорит, что по химическому составу они схожи с породами океанического ложа. Если это верно, то служит подтверждением, что океан появился на Земле спустя недолгое время после гигантского столкновения. О’Нейл также видит в них сходство с придонными океаническими породами, что образовались недавно. Это дает основания полагать, что, когда впервые возник Мировой океан, породы, слагающее его дно, не так сильно отличались от тех, что существуют сегодня. О’Нейл даже уверен, что древние породы несут черты тектонических сдвигов плит, из чего можно сделать предположение о том, что этот процесс начался на самых ранних стадиях жизни нашей планеты.

Если нуввуагиттукские породы образовались на дне океана 4.4 млрд лет назад, то открываются заманчивые перспективы для исследований, результаты которых смогут пролить свет на вопросы зарождения жизни. Сегодня находят ископаемые останки, которые остыли 3,5 млрд лет назад. В более молодых породах учеными были обнаружены сохранившиеся бактерии, а в более старых не удалось найти ничего.

Однако жизнь могла оставить свои следы не только в форме окаменелостей. Поскольку бактерии используют соединения углерода, они могут изменять баланс изотопов углерода в своем окружении, что может быть зафиксировано в породах, которые формировались в тот момент. Некоторые ученые заявляют, что породы из Гренландии, имеющие возраст 3,8 млрд лет, отражают эту диспропорцию, свидетельствующую о наличии жизни.

До сих пор не найдено признаков жизни в первые 700 млн лет существования Земли. Поэтому ученые не могут сказать, сразу ли развивалась жизнь после образования пашей планеты или ее зарождение было отложено на сотни миллионов лет. Они также еще не разобрались, где точно на планете она возникла. Некоторые исследователи полагают, что биомолекулы появились в пустыне или в оставляемых приливами водоемах. Другие утверждают, что, напротив, колыбелью жизни стали глубоководные гидротермальные источники.

Если нуввуагиттукские породы образовались на дне океана 4,4 млрд лет назад, они представляют отличный материал для разрешения этих важных вопросов. О’Нейл надеется на сотрудничество сучеными, чтобы выяснить, могли ли данные породы образоваться в гидротермальных условиях. «Мы не можем игнорировать эти породы, ибо здесь идеальное место, где могла зародиться жизнь», — поясняет он.

Тем не менее Можис видит определенную пользу в расхождении его взглядов с О’Нейлом и другими. В процессе яростных споров они вырабатывают все лучшие методы определения возраста древних пород в целом. Можис отмечает, что обмен мнениями действительно полезен. Будущие поколения геологов, которые привезут загадочные образцы из богом забытых уголков мира, смогут воспользоваться этими методами, чтобы окончательно сбросить завесу тайны с начальных этапов жизни юной Земли. По крайней мере по этому вопросу точки зрения Можиса и О’Нейла совпадают. «Вероятно, малые анклавы древних горных пород разбросаны по всему миру, — говорит О’Нейл. — Их очень легко потерять».