Голосования

Какой теорией происхождения жизни вы придержавайтесь?
 

Узнал новое?

Поделись с друзьями:

Наша кнопка

88x31 Код




Планета Земля
История юной Земли
(6 голоса, среднее 4.33 из 5)
Планета Земля

 

Джон Вэлли

История юной Земли

 

В раннем возрасте, около 4,5 млрд. лет назад, Земля светилась, как неяркая звезда. Жёлто-красные океаны магмы вздымались над её поверхностью каждый раз после столкновения с вращающимися вокруг новорождённого Солнца глыбами, некоторые из них достигали размеров маленьких планет. Двигаясь со скоростью, в 75 раз превышающей скорость звука, такая глыба при ударе о земную поверхность раздробляла, расплавляла и даже испаряла её.

 

4,4 млрд. лет назад Земля была покрыта океанами и совсем не напоминала ту, какой мы её представляли из учебников. Луна в то время находилась ближе, поэтому выглядит более крупной, чем сегодня.

На раннем этапе развития Земли плотное железо опускалось в бурлящей магме, формируя внутреннее ядро, при этом освобождалось столько гравитационной энергии, что её было достаточно, чтобы расплавить всю планету. Мощные удары метеоритов продолжались сотни миллионов лет, оставляя на Земле кратеры диаметром более чем в 1 тыс. км. Одновременно в недрах земли при распаде радиоактивных элементов выделялось тепло, причём в 6 раз быстрее, чем это происходит сегодня.

 

Чтобы смогли застыть расплавленные горные породы, сформироваться земная кора и континенты, сконденсироваться вода в плотной парообразной атмосфере и смогли возникнуть и развиться примитивные формы жизни, огнедышащая стихия должна была прежде успокоиться. Но как быстро остыла поверхность Земли после её огненного рождения? Большинство учёных полагают, что сверхжаркий климат господствовал 500 млн. лет. Это подтверждается прежде всего явным отсутствием первозданных пород старше 4 млн. лет и наличием окаменелостей более молодого геологического возраста, свидетельствовавших о появлении жизни на Земле.

 

Однако за последние пять лет геологи, в том числе и группа из Висконсинского университета в Мадисоне, обнаружили десятки древних кристаллов циркона, химический состав которых изменил наше представление о начальном этапе развития Земли. Эти очень прочные кристаллы, крошечные „капсулы времени“, содержат доказательства того, что, возможно, жизнь в океанах и континенты появились на 400 млн. лет раньше, чем это обычно предполагалось.

 

Затвердение Земли

 

Обзор: Цирконовые «Капсулы времени»

 

Геологи полагали, что 4,5 млрд. лет назад Земля рождалась в огнедышащих условиях, которые 3,8 млрд. лет назад стали более мягкими.

Сегодня крошечные кристаллы минерала циркона дают основания полагать, что Земля остыла гораздо раньше, возможно, уже 4,4 млрд. лет назад.

Отдельные древние экземпляры имеют химический состав, который мог образоваться только при более прохладных, влажных условиях, необходимых для зарождения жизни.

Начиная с XIX в. учёные пытались вычислить, как быстро остыла Земля, но мало кто из них надеялся найти убедительные подтверждения своим расчётам. Некоторые предположения о более умеренном климате строились на термодинамических расчётах, которые исходили из первоначальной температуры магмы в 1000°С и показывали, что земная поверхность могла затвердеть в течение 10 млн. лет. При остывании планеты нарастающий слой затвердевших горных пород должен был отделить её поверхность от расплавленных глубинных пород. Если предположить, что были периоды, когда большие метеориты не падали и земная кора была устойчива, а парниковый эффект в атмосфере не задерживал слишком много тепла, то температура на поверхности Земли могла быстро снизиться до значения ниже точки кипения воды. Кроме того, Солнце тогда посылало меньше энергии.

Большинство геологов склонно считать, что бесспорность огненного рождения и скудные геологические данные скорее указывают на продолжительный сверхжаркий климат. Самые древние (4 млрд. лет) из известных первозданных пород — это гнейсы Акасты на северо-западных территориях Канады. Но они были образованы глубоко в недрах Земли и поэтому не содержат никаких сведений об условиях, существовавших на поверхности. Большинство исследователей полагали, что адский жар должен был разрушить любые породы, образованные ранее. Самые древние из них, сформировавшиеся под водой, где было относительно прохладно, насчитывают 3,8 млрд. лет. В осадочных породах, выходящих на поверхность на юго-западе Гренландии, в Исуа, сохранились также ранние свидетельства жизни.

 

Древнейшие породы планеты

Древние породы старше 2,5 млрд. лет выходят на поверхность или залегают неглубоко (красный), а также скрыты более молодыми породами (розовый). Здесь могут быть открыты кристаллы цирконов такого же возраста, что и в Джек-Хиллз в Западной Австралии.

 

В 80-х гг. ХХ в. новая информация о раннем развитии Земли была получена при изучении монокристаллов циркона, тогда несколько их редких зёрен, найденных в Джек-Хиллз и Маунт-Наррьер, в Западной Австралии, оказались самым древним материалом наземного происхождения — 4,3 млрд. лет. Но эти кристаллы не могли дать однозначного ответа, поскольку геологи не были уверены в установлении их материнских пород. Кристаллы циркона столь прочны, что могут сохраниться, даже если образующая их порода будет разрушена эрозией. Вода и ветер могут затем перенести зёрна циркона на большие расстояния, прежде чем они станут частью осадочных пород. Так и циркон, найденный в Джек-Хиллз, возможно, был перенесён на тысячи километров от места своего происхождения и заключён в слой крупного песка, сцементированного позже в конгломерат Джек-Хиллз.

 

Несмотря на открытие частиц первозданной Земли, большинство учёных, в том числе и я, продолжали считать, что климат нашей юной планеты был сверхжарким.

 

В глубь проблемы

 

Джек-Хиллз, часть песчаной пыльной равнины, расположен в 800 км к северу от Перта, самого удалённого австралийского города. Конгломерат образовался 3 млрд. лет назад, он находится на северо-западной оконечности широко простирающихся свит горных пород старше 2,6 млрд. лет.

 

В окаменелом слое крупного песка в Джек-Хиллз (сверху) содержатся древнейшие в мире цирконы. Геологи раздробили и отсортировали сотни килограммов породы, чтобы раздобыть 20 кристаллов, сохранивших следы прохладного климата, существовавшего более 4 млрд. лет назад.

 

Чтобы добыть менее чем напёрсточек циркона, мои коллеги и я должны были собрать сотни килограммов породы на этих отдалённых обнажениях, привезти их в лабораторию, раздробить и затем отсортировать.

 

Извлечённые из основной породы отдельные кристаллы могли быть датированы, т. к. циркон — прекрасный счётчик времени. Помимо свойства долговечности его кристаллы имеют в микроколичестве радиоактивный уран, распадающийся с определённой скоростью до свинца. Когда циркон образуется в затвердевающей магме, атомы циркония, кремния и кислорода соединяются в определённой пропорции (ZrSiO4), создавая уникальную структуру, где уран может участвовать только как примесь. Атомы свинца слишком велики, чтобы заменить элементы в кристаллической решётке, поэтому образующиеся кристаллы циркона свободны от свинца. Часы уран-свинец начинают свой отсчёт, как только рождаются кристаллы циркона. Таким образом, отношение свинца к урану растёт по мере старения кристалла. Учёные могут достоверно определить возраст нетронутого циркона с точностью до 1%, что для юной Земли означает примерно 40 млн. лет.

 

Определение возраста кристаллов стало возможным в начале 80-х гг. ХХ в., когда Вильям Компстон (William Compston) со своими коллегами из Австралийского национального университета в Канберре создал специальный ионный микрозонд SHRIMP (Sensitive High-Resolution Ion Microprobe — чувствительный ионный микрозонд с высокой разрешающей способностью). Несмотря на то что большинство кристаллов циркона практически невидимы невооружённым глазом, ионный микрозонд столь точно посылает сфокусированный пучок ионов, что тот может выбить небольшое количество атомов с любой заданной части поверхности циркона. Затем масс-спектрометром определяется состав атомов путём сравнения их масс. В 1986 г. группа Компстона вместе с Робертом Пиджеоном (Robert Pidgeon), Саймоном Вильде (Simon A. Wilde) и Джоном Бакстером (John Baxter) из Технологического университета Куртина, Австралия, впервые определили возраст цирконов из Джек-Хиллз.

 

Зная всю эту историю, я обратился к Вильде. В мае 1999 г. в Куртине он проанализировал с помощью усовершенствованного SHRIMPа 56 кристаллов, 5 из них насчитывали более 4 млрд. лет. К нашему удивлению, самые древние цирконы датировались 4,4 млрд. лет. Некоторые образцы с Марса и Луны имеют аналогичный возраст (метеориты обычно старше), но ничего подобного мы не ожидали узнать о представителях Земли. Ясно, что если цирконы и существовали столь давно, они бы не уцелели в адских условиях тех времён.

 

Свидетельства древних океанов

 

Пек и я обратились к Вильде за западноавстралийскими цирконами, поскольку хотели найти хорошо сохранившиеся образцы древнейшего кислорода Земли. Мы понимали, что циркон мог рассказать не только когда, но и как образовалась основная порода. Чтобы рассчитать температуры процессов образования магмы и горных пород, мы использовали различные изотопные отношения кислорода.

 

Извлекая доказательства

Благодаря новейшим технологиям в одном кристалле минерала циркона можно найти десятки свидетельств древнего климата Земли. Существует пять основных ступеней анализа циркона. Сначала исследователи заливают кристалл в эпоксидной смоле, затем шлифуют и полируют его. Узкий пучок ионов микрозонда выбивает с очищенной поверхности небольшое число атомов, которые идентифицируются по сравнительной массе (1). Чтобы определить возраст кристалла, учёные проводят измерения атомов урана и свинца, включённых в структуру молекулы циркона. Поскольку свинец — конечный продукт радиоактивного распада урана, то чём больше его содержание в кристалле по отношению к урану, тем старше циркон (2). С помощью сканирующего электронного микроскопа определяется структура растущего экземпляра и любые мельчайшие фрагменты минералов, включённых в процессе роста. Включения кварца, например, чаще всего встречаются в цирконах, образованных в гранитах, типичных для континентальной коры (3). В то же самое место, что и в первый раз, направляется микрозонд для измерения атомов кислорода, входящих в состав циркона. Определённое отношение изотопов кислорода, атомов различной массы, показывает, в прохладных или в жарких условиях формировалась материнская порода кристалла (4). Исследователи в третий раз используют ионный пучок микрозонда, чтобы определить микропримеси, составляющие менее 1% в молекулярном строении кристалла. Некоторые из этих рассеянных элементов могут свидетельствовать о принадлежности материнской породы кристалла древнему континенту (5).

 

Геохимики измеряют отношение кислорода-18 (18О — редкий изотоп, имеющий 8 протонов и 10 нейтронов, составляет около 0,2% всего кислорода на Земле) к кислороду-16 — (16О — распространённый изотоп, имеющий 8 протонов и 8 нейтронов, составляет 99,8% всего кислорода). Эти изотопы устойчивые, а не радиоактивные и, следовательно, спонтанно не изменяются с течением времени. Однако отношение изотопов 18О к 16О в кристалле будет различным в зависимости от температуры внешней среды в момент его образования.

 

Пропорция 18О/16О была определена для мантии Земли (слой мощностью в 2 800 км, лежащий непосредственно под океанической и континентальной корой, имеющей толщину 5–40 км). Магма мантии сохраняет практически постоянное изотопное отношение. Для упрощения геохимики используют показатель d, приравнивающий данное отношение к соответствующему отношению в морской воде. Для океанов показатель d18О равен 0 по определению, а для циркона мантии он равен 5,3; это означает, что изотопное отношение 18О/16О в мантии больше, чем в морской воде.

 

Вот почему Пек и я рассчитывали получить значение около 5,3 для первородной мантии, когда забирали австралийские образцы циркона у Вильде в Эдинбургский университет в Шотландии. Там Джон Крейвен (John Craven) и Колин Грэхем (Colin Graham) помогли нам в подборе микрозондов для измерения изотопных отношений. В результате был проведён анализ образцов, которые были в миллион раз меньше, чем те, что я мог исследовать в моей лаборатории в Висконсине. После 11 дней практически непрерывных анализов, только с маленькими передышками на сон, мы завершили измерения, но наши предположения оказались ошибочными. Значение d18О достигало 7,4.

 

Мы были ошеломлены. Что могло означать такое большое изотопное отношение? Для более молодых горных пород такой ответ не вызывал бы сомнений, поскольку таких образцов существует много. При низкой температуре на поверхности Земли изотопное отношение может достигать высоких значений, если горные породы вступали в химическую реакцию с дождевой или морской водой. В случае глубинных расплавленных пород большое значение d18О должно было передаться циркону во время кристаллизации в магме. Следовательно, на поверхности Земли должны были присутствовать вода в жидком состоянии и низкие температуры, чтобы образовались циркон и магма с таким высоким значением d18О, никаких других объяснений не было.

 

С помощью ионного микрозонда, установленного в лаборатории автора в Мадисоне (Висконсин), можно исследовать участки в 15 раз меньше, чем диаметр самого кристалла. Древнейшие цирконы Земли, изображённые в катоднолюминесцентном излучении, насчитывают 4,4 млрд. лет.

 

Обнаружение высокого изотопного отношения кислорода в цирконах, найденных в Джек-Хиллз, наталкивает на вывод, что на поверхности Земли должна была существовать вода в жидком виде, по крайней мере, на 400 млн. лет раньше, чем образовались старейшие из известных осадочных пород, образцы которых найдены в Исуа, Гренландия. Если это предположение верно, то, вероятно, существовали целые океаны, смягчающие климат ранней Земли, а условия напоминали сауну.

 

О чём рассказывают континенты

 

Можем ли мы делать столь далеко идущие выводы о развитии Земли на основании изучения нескольких маленьких кристаллов? Более чем на год мы отложили публикацию материалов, чтобы ещё раз проверить свои анализы. Тем временем другие исследовательские группы проводили свои изыскания в Джек-Хиллз. Стивен Мойзис (Steven Mojzsis) из Колорадского университета и его коллеги из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе подтвердили наши результаты, и мы опубликовали методику исследований в 2001 г.

 

Оценка научным сообществом значения свойств циркона окрылила нас. В период становления Земли в чрезвычайно жарких разрушительных условиях не смог бы сохраниться ни один образец горной породы и стать предметом геологического изучения. Но найденные цирконы указывали на более мягкий и знакомый нам климатический мир. Если климат ранней Земли был достаточно прохладен для поддержания океанов, то, возможно, цирконы могут раскрыть тайну существования в те времена континентов и разных известных нам земных форм.

 

Даже мельчайшие цирконы имеют включения — инородные элементы, которые могут многое рассказать о происхождении и формировании кристалла. Когда мы изучали цирконы, насчитывающие 4,4 млрд. лет, то обнаружили содержащиеся в них частицы других минералов, в том числе кварца. Это казалось странным, поскольку тот редко встречается в первозданных породах и, вероятно, отсутствовал в изначальной земной коре. Обычно он входит в состав гранитов, характерных для более развитой континентальной коры.

 

О чём поведали кристаллы

Цирконы с Джек-Хиллз в Западной Австралии изменили представления учёных о древней истории Земли. Эти кристаллы представляют древнейшие из известных материальных образований: сотни из них сформировались более 4 млрд. лет тому назад. Многие из этих счётчиков времени имеют химические свидетельства того, что во времена, когда поверхность Земли была в огненно-расплавленном состоянии, существовали вода в жидком виде и даже, возможно, континенты.

 

Древние времена

 

При определении возраста древнейших цирконов с Джек-Хиллз (4,4 млрд. лет) необходима двойная проверка, т. к. можно получить два различных значения отношения уран-свинец, проводя исследования микрозондом в одном и том же месте. (Все цирконы содержат два различных изотопа урана, которые при распаде образуют пару разных изотопов свинца, причём с различной скоростью). Если эти два значения совпадают, они располагаются вдоль так называемой кривой Конкорда. Величины вне кривой, полученные при измерении в других местах того же кристалла, не столь надёжны, несмотря на то, что остаются в допустимых пределах точности определения возраста.

 

Если австралийские цирконы произошли из гранитов, то это говорит в пользу предположения, что они — представители первых континентов. Но тут нужна осмотрительность. Кварц может быть образован на последних стадиях кристаллизации магмы, даже если материнская порода не гранит, несмотря на то, что такой кварц встречается гораздо реже. Так, например, на Луне были найдены цирконы и несколько кварцевых зёрен. Но там никогда не было гранитной коры, похожей на нашу континентальную. Некоторые учёные также задаются вопросом, образовались ли первые цирконы на Земле в условиях, сходных с теми, что были на первоначальной Луне, или под действием сил, связанных с ударами гигантских метеоритов, или под воздействием глубинного вулканизма, но никаких убедительных доказательств тому не найдено.

 

Тем временем дополнительная информация о континентальной коре была получена при исследовании рассеянных элементов. Чтобы всё это выяснить, надо было пристальнее всмотреться в глубь кристаллов. Цирконы из Джек-Хиллз имеют повышенные концентрации микропримесей, а также включения европия и церия, которые обычно образуются во время кристаллизации земной коры; это означает, что цирконы зародились скорее у поверхности Земли, а не в мантии. Более того, соотношение радиоактивных изотопов неодима и гафния, двух элементов, относящихся ко времени формирования континентальной коры, даёт основание полагать, что большая часть земной коры образовалась 4,4 млрд. лет назад.

 

Относительное содержание цирконов старше 4 млрд. лет в некоторых образцах с Джек-Хиллз превышает 10%. Кроме того, их поверхность сильно стёрта, а грани закруглены, что даёт основание считать, что кристаллы были перенесены ветром на большие расстояния. Как могли они перенестись с пылью на сотни или тысячи километров? И как могли они не расплавиться, если только образовались не в мантии, а в условиях устойчивой континентальной коры?

 

Первые континенты

 

Округлая форма цирконов с Джек-Хиллз, видимая под сканирующим электронным микроскопом, говорит о том, что ветер и, возможно, текучие воды перегоняли кристаллы на далёкие расстояния, может быть, через широкие просторы континентов, прежде чем они наконец остановились (сверху). Цирконы, найденные вблизи мест их происхождения, сохраняют острые края и гладкие грани (далее снизу).

По-видимому, когда-то цирконов было очень много, и они были распространены на большой территории, возможно, на целом континенте.

Древние цирконы имеют разный возраст, но в пределах одной эры. Арон Кавози (Aaron J.Cavosie) из Университета Пуэрто-Рико, проводя исследования микрозондом, обнаружил экземпляры с возрастом ядра 4,3 млрд. лет, возраст кристалла вокруг которого определялся между 3,7 и 3,3 млрд. лет. То, что цирконы становятся моложе от ядра к краю, вполне объяснимо, т. к. кристаллы наращивают массу вокруг ядра со стороны граней. Но большая разница с временными пробелами в возрасте между ядром и гранями указывает на наличие двух явлений, разделённых во времени. В целом можно сказать, что перепад возрастов внутри кристаллов произошёл в результате тектонических процессов, расплавивших континентальную кору и вызвавших их рост. Многие учёные пытаются выяснить, не аналогичные ли условия повлияли на формирование древних цирконов из Джек-Хиллз.

 

Прохладные, океанические условия

Столь высокое значение изотопного отношения кислорода в цирконах с Джек-Хиллз, как 7,5, возможно только при формировании материнских пород в относительно прохладной среде, насыщенной водой. Если бы цирконы росли в магматических условиях, как кристаллы внутри Земли, изотопное отношение достигало бы значения 5,3.

Брюс Ватсон (Bruce Watson) из Политехнического института Ренсселера и Марк Харрисон (Mark Harrison) из Австралийского национального университета сообщили о более низком, чем обычно, содержании титана в древних цирконах, полагая, что магма в этом случае должна была иметь температуру от 650 до 800°С. Столь низкие температуры могли быть, если материнской породой был гранит, ибо большинство негранитных пород плавятся при более высоких температурах, и рождённые в них цирконы должны содержать больше титана.

 

Вечные цирконы

 

С тех пор как в 1999 г. мы определили изотопное отношение кислорода в пяти цирконах, поступало всё больше данных, которые убеждали нас в правильности сделанных нами выводов. Исследователи из Перта, Канберры, Бежина, Лос-Анджелеса, Эдинбурга, Стокгольма и Нанси изучают сегодня десятки тысяч цирконов из Джек-Хиллз с помощью ионных микрозондов в поисках малого числа тех, что старше 4 млрд. лет. Как сообщалось, в нескольких местах были обнаружены сотни цирконов в возрасте 4–4,4 млрд. лет. Дэвид Нельсон (David Nelson) со своими коллегами из Геологической службы Западной Австралии нашёл аналогичные древние цирконы в 300 км к югу от Джек-Хиллз. Геохимики исследуют другие районы с выходами древних пород в надежде найти первые, старше 4,1 млрд. лет, цирконы за пределами Австралии.

 

Интенсивные поиски способствуют усовершенствованию технологий. Кавози провёл анализы со значительно большей точностью и сообщил о более 20 найденных в Джек-Хиллз цирконах с высоким изотопным отношением кислорода, свидетельствующем о прохладных температурах на поверхности Земли и воздействии древних океанов 4,2 млрд. лет назад. Мы продолжаем поиски, используя первый ионный микрозонд нового поколения CAMECAIMS-1280, установленный в моей лаборатории.

 

Первозданные породы, содержащие цирконы, могут дать ответы на многие вопросы. Но даже если образцы таких пород не будут обнаружены, крошечные „капсулы времени“ уже помогли раскрыть много тайн, хранящихся в недрах Земли.

 

Об авторе:
Джон Вэлли
(John W. Valley) из Мичиганского университетав Анн-Арборе исследует образцы древних горных пород в Северной Америке, Западной Австралии, Гренландии и Шотландии. Вэлли — президент Американского минералогического общества, профессор геологии в Висконсинском университете в Мадисоне. Он основал лабораторию WiscSIMS. Уникальные возможности нового ионного микрозонда CAMECAIMS-1280, установленного в лаборатории, позволяют проводить широкие исследования. Помимо цирконов Вэлли изучает многие редкие и маленькие образцы разных материалов, в том числе межпланетную пыль и раковые клетки.

 
« ПерваяПредыдущая123456789СледующаяПоследняя »

Страница 5 из 9