Геохимические сигналы из глубин Земли начинают проливать свет на первые 50 миллионов лет существования планеты — период становления, который давно считался недоступным для науки.

В августе геолог Мэтт Джексон с женой и четырехлетней дочерью уехал из Калифорнии к фьордам северо-западной Исландии, разбил там лагерь и стал в дневное время бродить по скалам и каменистым склонам в поисках маленьких оливково-зеленых камней, называемых оливином.

Джексон, веселый молодой профессор из университета Калифорнии в Санта-Барбаре в рубашке с перламутровыми пуговицами и поношенных бриджах вот уже два года изучал лучшие охотничьи угодья исландских фьордов. Сверяясь с краткими заметками в унаследованном от других геологов полевом журнале, в день он проходил по 10-15 миль мимо бесчисленных овец и случайных фермеров. «Всю свою жизнь они жили в этих красивых фьордах», — сказал он. «Они смотрят на черные слоистые скалы, а я говорю им, что каждая из них — это извержения вулканической лавы. Они просто в шоке!» Он рассмеялся. «А я в еще большем шоке от того, что они никогда этого не понимали!»

Оливин прорвался на поверхность Земли в составе лавовых потоков между 10 и 17 миллионами лет назад. Джексон, как и многие геологи, считает, что источником извержений был исландский мантийный плюм — гипотетический восходящий поток твердых пород из глубин Земли по принципу шариков в лавовой лампе. Этот плюм, если он существует, обуславливал бы сейчас работу активных вулканов в центральной части Исландии. В прошлом он поднялся бы на поверхность здесь, во фьордах, еще до того, как часть земной коры, на которой находится Исландия, переместилась на северо-запад.

Согласно другим современным исследованиям в данном регионе, оливин мог возникнуть из древнего пласта полезных ископаемых у основания исландского мантийного плюма, который за миллиарды лет никогда не смешивался с остальной частью недр Земли. Джексон надеялся, что собранные им образцы несут какую-то химическую информацию из этого пласта и докажут, что он образовался в эпоху младенчества нашей планеты, которое до недавнего времени считалось недоступным для науки периодом.

Вернувшись в Калифорнию, он послал свои образцы Ричарду Уокеру, чтобы разузнать, что это за информация. Уокер, геохимик из Университета штата Мэриленд, занимается обработкой оливина для определения концентрации в нем химического изотопа вольфрам-182 по отношению к более распространенному изотопу вольфрам-184. Если Джексон прав, его образцы пополнят растущую коллекцию камней, имеющих совершенно поразительные аномальные соотношения изотопов вольфрама. Эти вольфрамовые аномалии отражают процессы, которые могли произойти только в течение первых 50 миллионов лет существования Солнечной системы — тот самый период становления, который, как давно предполагалось, был стерт из геохимической летописи разрушительными столкновениями, расплавившими Землю и перемешавшими ее содержимое.

Аномалии «дают нам информацию о некоторых самых ранних процессах планеты Земля», — заявил Уокер. «Это — вселенная, альтернативная той, с которой последние 50 лет работали геохимики».

Такие открытия толкают геологов вроде Джексона на поиски все новых ключей к разгадке возникновения Земли и современных механизмов ее работы. Как современная, так и ранняя Земля изучены недостаточно. Множество вопросов остаются без ответа, начиная с того, как работают вулканы и действительно ли существуют плюмы, до того, как возникли океаны и континенты и какова природа и происхождение гигантских структур, в разговорной речи называемых «сгустками», обнаруженных сейсмологами возле ядра Земли. Все аспекты формы и функций планеты взаимосвязаны, а также переплетены с остальной Солнечной системой. При любой попытке объяснить, к примеру, почему тектонические плиты подобно мозаике покрывают земную поверхность, необходимо учитывать тот факт, что ни у одной другой планеты Солнечной системы таких плит нет. Чтобы понять Землю, ученые должны выяснить, каким образом она стала уникальной в рамках Солнечной системы. А для этого нужно разобраться с тайнами первых десятков миллионов лет.

«Вы можете воспринимать это как проблему начального состояния», — заявил изучающий гейзеры и вулканы геофизик из Калифорнийского университета в Беркли Майкл Манга. «Земля, которую мы знаем сегодня, откуда-то возникла. И есть много неопределенностей в вопросе того, откуда же».Части пазлаОднажды, среди бесконечной череды проведенных в Санта-Барбаре дней, за неделю до своего отъезда в Исландию, Джексон во главе группы ученых прошел 2 мили пешком по пляжу, чтобы осмотреть насыпи из вязких нефтепродуктов — места, где липкий черный материал проступает из скалы, образуя мягкие пышные наросты, которые можно продавить пальцем. Нажимая на вязкую субстанцию и бросая в нее камнями, ученые размышляли о подземном происхождении материала и примерных пределах его вязкости. Когда ваш покорный слуга подобрал небольшой кусок, чтобы понять, насколько он легкий, два или три человека одобрительно кивнули.

Группа, состоявшая из геофизиков, геологов, минералогов, геохимиков и сейсмологов, прибыла в Санта-Барбару для участия в ежегодной конференции Объединенного института динамических исследований Земли (CIDER) в Институте теоретической физики Кавли. Каждое лето меняющийся состав представителей этих областей встречается на длящейся несколько недель конференции, чтобы поделиться последними результатами исследований и взаимно обогатиться идеями, ведь их общей целью является понимание такой сложной системы как планета Земля.

Сложность Земли, ее отличительные черты и, прежде всего, таинственные условия ее возникновения подразумевают, что, несмотря на составляемую космологами карту Вселенной и сканирование астрономами галактики в поисках второй Земли, прогресс в понимании нашей планеты всегда шел на удивление медленно. Пока мы пробирались от одной насыпи из вязких нефтепродуктов к другой, Джексон отметил обнаженные слои осадочных пород на обрыве скалы — какие-то из них были горизонтальными, а другие изогнутыми и находились под наклоном. Удивительно, сказал он, но ученые только в 1960-х годах согласились с тем, что наклонные осадочные слои теряют устойчивость, а не скапливаются под углом. Только после этого был достигнут консенсус в отношении механизма объяснения устойчивости и прочности поверхности Земли в целом — теории тектоники плит.

Геофизик из Университетского колледжа Лондона Каролина Литгоу-Бертеллони, изучающая тектонические плиты, считает, что немецкому метеорологу Альфреду Вегенеру принадлежит заслуга ввода понятия континентального дрейфа (1912 год) в попытке объяснить, почему массивы земной суши напоминают разбросанные части головоломки. «Но механизм он объяснить не мог — точнее мог, но это было полное сумасшествие», — сказала она.

Несколько лет спустя, продолжала Каролина, британский геолог Артур Холмс привел убедительные доказательства того, что с точки зрения геологии твердая и монолитная мантия Земли передвигается плавно, движимая исходящим из ядра земли теплом; а это движение мантии, в свою очередь, обуславливает движение поверхности. Еще больше доказательств появилось во время Второй Мировой Войны. Магнитные свойства морского дна, нанесенные на карту с целью сокрытия подводных лодок, предположили, что новая кора формируется в срединно-океаническом хребте — подводном хребте, выстилающем дно мирового океана подобно шву — и распространяется в обоих направлениях к берегам материков. Там, в так называемых «зонах субдукции», океанические плиты скользят под континентальными, вызывая землетрясения и неся воды вниз, где она проплавляет карманы в мантии. Вследствие этого плавления возникает магма, которая поднимается к поверхности малопонятными рывками, вызывая извержения вулканов. (Вулканы существуют также и вдали от границ плит, например, на Гавайских островах и в Исландии. В настоящее время ученые объясняют это наличием плюмов, а исследователи вроде Уокера и Джексона их проверяют и наносят на карты с помощью изотопного анализа.)

По словам Литгоу-Бертеллони, физическое описание плит было наконец составлено в конце 1960-х годов, когда британский геофизик Дэн Маккензи и американец Джейсон Морган по отдельности предложили количественную основу для моделирования тектоники плит на сфере.

Помимо самого существования плит, почти вся остальная информация о них остается предметом споров. Чем, например, обусловлено их поперечное перемещение? Где заканчиваются субдуцируемые плиты — те ли это «сгустки»?— и как они влияют на динамику недр Земли? Почему земная кора раскололась на плиты, а с другими планетами Солнечной системы такого не произошло? Еще одним совершенно загадочным моментом является двухуровневая структура океанических и континентальных плит, а также то, каким образом на них оказались океаны и континенты — все необходимые условия для существования разумной жизни. Больший объем знаний о том, как формировалась Земля, мог бы помочь нам понять, насколько распространены во Вселенной похожие на Землю планеты и насколько вероятно возникновение на них жизни.

Литгоу-Бертеллони говорит, что материки, вероятно, образовались в ходе того раннего процесса, когда гравитация упорядочила содержимое Земли концентрическими слоями: железо и другие металлы опустились к центру, образуя ядро, а скалистые силикаты осталась в составе мантии. Вместе с этим, материалы пониженной плотности поднимались вверх, образуя на поверхности мантии корку подобно пенке на супе. Возможно, в одних местах она скопилась в форме континентов, а в других появились океаны.

Выяснить, что же именно произошло и в каком порядке, «намного сложнее», сказала Литгоу-Бертеллони, потому что эти этапы предшествуют появлению стратиграфической летописи и являются «частью процесса плавления, имевшего место на очень ранних стадиях существования Земли ».

До недавнего времени ученые не знали ни о каких геохимических следах той эпохи и не предполагали, что сумеют пролить свет на самые чудесные характерные особенности Земли. Но незначительные аномалии в концентрациях вольфрама и других изотопов в настоящее время формируют первые представления о появлении и видоизменении планеты. Эти химические индикаторы дают надежду на появление информации о сроках развития и схеме поверхности Земли раннего периода, раскрывая то, откуда, почему и когда возникли ее отличительные черты.

Схематическая хроникаВ своем понимании ранней Земли свой первый гигантский скачок человечество совершило, когда астронавты «Аполлона» привезли камни с Луны, нашего менее структурного спутника, чье происхождение было в то время полной загадкой.

Камни «выглядели серыми и очень похожими на земные», — говорит Фуад Тера, который анализировал лунные образцы в Калифорнийском технологическом институте в период между 1969 и 1976 годами. По его словам, их лунное происхождение создавало «чувство эйфории» у всех, кому приходилось держать их в руках. Некоторые интересные особенности в конце концов проявились: «под микроскопом мы увидели маленькие стеклянные сферические тела — яркие, красивые — зеленые, желтые, оранжевые и прочие», — вспоминает ныне восьмидесятипятилетний Тера. Шарики эти, вероятно, образовались вследствие извержений вулканов на Луне, когда она была еще молодой. Но по большей части, заявил он, Луна состоит из самых обычных вещей, не из чего-то особенного.

Теперь, по прошествии времени, это удивления больше не вызывает: химический анализ, произведенный в Калифорнийском технологическом институте и других лабораториях, показал, что Луна сформировалась из поверхностного материала Земли, который, по всей видимости, выбросило на орбиту вследствие столкновения прото-Земли в возрасте от 60 до 100 миллионов лет с другой протопланетой в переполненной внутренней части Солнечной системы. Хотя детали гипотезы «гигантского столкновения» (ударного формирования Луны) по-прежнему горячо обсуждаются, она стала одним из ключевых шагов в истории развития Земли, Луны и Солнца, что помогло остальному сложиться в единую картину.

Химический анализ метеоритов помогает ученым обозначить еще более ранние этапы истории развития Солнечной системы, в том числе тот момент, с которого все началось.

Во-первых, 4.57 миллиарда лет назад, находящаяся поблизости звезда стала сверхновой, извергая в космос материю и образуя ударную волну. Материя включала в себя радиоактивные элементы, которые сразу же начали разрушаться, запустив часовой механизм, который изучающие свойства изотопов химики сейчас измеряют с большой точностью. Ударная волна прокатилась по нашим космическим окрестностям, собрав подобно венику в кучу существовавшее там облако газа и пыли; а увеличение плотности спровоцировало гравитационный распад облака и образование совершенно новой звезды — нашего Солнца, окруженного «плацентой» из раскаленных обломков.

В течение следующих десятков миллионов лет обломки из окружавшего Солнце поля, скапливаясь, образовывали все более крупные космические камни, затем срослись в частицы, называемые «планетезималями», а те, в свою очередь, объединились в протопланеты, ставшие Меркурием, Венерой, Землей и Марсом — четырьмя каменистыми планетами нынешней внутренней части Солнечной системы. А из газа и льда в ее более холодных областях образовались планеты-гиганты.

Перемещаясь в переполненной внутренней Солнечной системе, Земля в своем младенческом состоянии испытывала частые столкновения с раскаленными небесными телами, что, как давно предполагалось, расплавило планету до состояния гигантского «магматического океана». В то время гравитация превратила сжиженное содержание Земли в раздельные слои — ядро, мантию и кору. Считается, что каждый из глобальных расплавов уничтожал существующие породы, смешивая их содержимое и стирая всяческие геохимические отличия от первоначальных составных элементов Земли.