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

Дональд Протеро (2018)

Захватывающая история того, как шаг за шагом добывалось геологическое знание, связанное с нашей планетой: как определялся ее возраст, состав, «нрав», раскрывались глубинные процессы. Каждая из 25 глав книги рассказывает, как геологи, палеонтологи и океанологи искали ответы на свои вопросы в толще земной коры, в кратерах вулканов, на самом дне Мирового океана, в малодоступных горах, ущельях, ледяных пустынях и даже в космосе. В предисловии Дональд Протеро сравнивает труд ученого геолога с работой криминалиста, а затем раскрывает это сравнение, показывая кропотливый процесс восстановления из мельчайших деталей, единичных следов и случайных отпечатков целостной картины далекого прошлого, отделенного от нас бездной геологического времени. 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». Особенности Около 150 уникальных фотографий, схем и иллюстраций. В природе происходит постоянный процесс создания нового океанического ложа: магма извергается в трещинах рифтовой долины в центре хребта, когда происходит его растягивание в стороны. 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.

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.

Примечания

8

Оригинальные немецкие названия Ötztal и Ötzi.

9

Слайс — пластина океанической коры, срезанная пологими тектоническими нарушениями и надвинутая на континент. — Прим. науч. ред.

10

Англ. pillow lava eruption. — Прим. ред.

11

В переводе с латыни gabbro — «ровный», «гладкий». — Прим. ред.

12

От лат. accretio — «приращение, увеличение». — Прим. ред.