Истории с палеогеографией

Оглянуться назад, восстановить прошлое, ту цепь событий, которая привела к настоящему с рождающимися в нем ростками будущего. Без такого взгляда назад невозможно понять настоящее и делать предположения о будущем. В науках о Земле это особенно важно. Как, например, научно обосновать поиск месторождений полезных ископаемых, не зная истории их формирования? Именно поэтому естествоиспытатели все время обращаются к проблемам эволюции Земли, и изучение ее имеет, конечно, не только чисто практическое значение.

Развитие науки не согласуется с круглыми датами, а идет по своим внутренним законам, хотя нередки случайные совпадения. Крупные изменения в представлениях об эволюции нашей планеты совпали с серединой нашего столетия. В то же время в 1951 году, на пороге второй половины XX века, выходит в свет книга академика Константина Константиновича Маркова «Палеогеография». Она стала итогом предшествующих исследований эволюции лика Земли, ведь палеогеография это наука о физико-географических условиях прошлого нашей планеты, наука об истории географической среды. К. К. Марков называл ее еще историческим землеведением.

Конечно, это была не первая попытка восстановить прошлое облика Земли, такие попытки восходят еще к трудам Ч. Лайеля и Э. Зюсса.

Работа К. К. Маркова появилась в тот момент, когда науки о Земле были на распутье, и это отразилось на ее содержании. За внутренним стремлением к единству прослеживается множественность, даже некоторый разнобой в объяснении каких-то моментов эволюции Земли. Это отражало реальные представления того времени, основывавшиеся еще на очень ограниченном материале. В частности, практически отсутствовали данные об основной части нашей планеты — океане и океанической коре.

Но за прошедшее после выхода в свет «Палеогеографии» время очень многое изменилось: в океане развернулись интенсивные исследования с применением современных геофизических методов и бурения дна. В результате обновились или углубились гипотезы, возникли новые концепции и теории, часть прежних представлений вошла в них в прежнем или преображенном виде, а часть ушла в прошлое и стала этапом развития. Наконец, ранее отвергавшиеся представления возродились на новой основе. Палеогеографические реконструкции стали опираться на значительно большее число фактов и контролироваться физическими законами. Интересно проследить изменения представлений о некоторых ключевых моментах эволюции Земли на примере нескольких историй.

История первая: «смутное время»

В истории эволюции Земли есть период, который, возможно, никогда не будет восстановлен по каким-либо реальным фрагментам ее коры — «документам», оставленным нам историей планеты. Это промежуток между временем возникновения Земли, то есть примерно 4,65 миллиарда лет назад, и возрастом древнейших пород, обнаруженных в Гренландии, который оказался равным 3,8 миллиарда лет. С учетом возможных ошибок при определении возраста можно считать, что период становления «современной» Земли, ее «смутное время», составлял около 0,6 —0,8 миллиарда лет. Правда, на Земле не раз находили фрагменты вещества с возрастом 4,5—4,6 миллиарда лет, но все они оказались метеоритами.

В «смутный период» втискиваются многие события — и образование планеты, и возникновение таких оболочек, как атмосфера и гидросфера, и, наконец, появление на Земле жизни. Но о том, как это происходило, в большинстве случаев можно судить только на основе гипотез, одни из которых выдерживают испытание законами физики и химии, а другие его не выдерживают. К такой, не выдержавшей испытания, относится гипотеза о «горячем» возникновении планеты. Но в середине XX века эта концепция еще живет, и в «Палеогеографии» К. К. Маркова она тоже присутствует. Сейчас идея «горячей Земли» трансформировалась в гипотезу разогревания первоначально холодной Земли. Уже в «Палеогеографии» назван и источник тепла — радиоактивные элементы. Это был большой шаг от изначального тепла «горячей гипотезы» к поиску собственных, чисто земных источников тепла. Сейчас к ним относят и дифференциацию вещества в недрах Земли, и приливные воздействия Луны. Роль этой ближайшей соседки Земли в эволюции нашей планеты еще до конца не раскрыта, хотя хорошо изученная ее поверхность, имеющая возраст пород, соответствующий «смутному времени», заставляет говорить о «лунном этапе» развития Земли, когда на заключительном эпизоде ее формирования она бомбардировалась метеоритами и астероидами. Это тоже могло быть одним из источников разогревания.

Трудно дать оценку соотношению источников разогрева нашей планеты, их было вполне достаточно, чтобы зажечь огонь эволюции, а приливные силы Луны, регулярно воздействуя горячее, а местами и расплавлено первичное вещество Земли, могли запустить механизм конвекции в возникавшей мантии. Приливы в земной коре «потянули вверх более легкие вещества, и это положило начало постоянно действующему круговороту — конвекции. Когда же конвекция началась, эволюция планеты вышла на своего рода «квазистационарный режим».

Конвекция в мантии дала начало образованию рифтовых трещин и спредингу (раздвижение) — очень древнему, как стало ясно теперь, явлению, а также субдукции — «подныриванию» более плотных участков земной коры под менее плотные.

Поверхность планеты оказалась расчлененной на мозаику плит, границы которых обозначались зонами растяжения или сжатия. Вот на этом этапе и появились первые фактические записи эволюции Земли в виде фрагментов древнейших пород из зон сжатия, имеющих возраст около 3,8 миллиарда лет и возникших в процессе переплавки вещества первичной коры.

Древнейшие породы показали примечательный факт: уже 3,8 миллиарда лет назад существовали водоемы, в них шел процесс накопления осадков, и в нем участвовали живые организмы — прокариоты (безъядерные одноклеточные), то есть имели место те же процессы, которые мы наблюдаем и сейчас и которые существовали на всем протяжении записанной в отложениях истории Земли. Точка начала отсчета этого «квазистационарного режима» лежит где-то в «смутном времени».

Представления о возникновении Земли и других планет, а также о «смутном периоде» со времени создания «Палеогеографии» прошли очень большой путь: от частичного — к широкому признанию гипотезы холодного образования планет; от оперирования законами механики — к наиболее полному использованию всех современных физико-химических представлений, а также данных об исследованиях лунной поверхности и других планет. И все же «смутное время» Земли оставляет поле для самых смелых предположений.

История вторая: плутонисты, нептунисты и мобилисты

Самыми крупными формами рельефа Земли остаются материки и океаны — материковая и океаническая ступени. Объяснение их происхождения и взаимосвязи дает возможность решать многие палеогеографические вопросы. Историю наук о Земле можно рассматривать как историю борьбы плутонистов и нептунистов, то есть приверженцев первичности континентов или первичности океанов. Плутонистский и нептунистский взгляды присутствуют и на страницах «Палеогеографии» К. К. Маркова, хотя чаша весов там склоняется явно в пользу плутонистов. К середине XX века науки о Земле уже накопили много фактов, которые лучше укладывались в концепцию плутонизма. Например, на дне океанов находили только молодые в геологическом смысле породы — разве это не свидетельство того, что океанические впадины образовались сравнительно недавно? На самом деле здесь происходило некое смещение понятий, когда молодость океанической впадины переносилась на само понятие «океан» и делался вывод об «океанизации» Земли на позднем этапе ее эволюции. Между тем самые древние породы, известные в то время с возрастом 1,8 миллиарда лет, носили следы морского происхождения. Становилось очевидным, что «океан» и «океаническая впадина»— два разных по возрасту явления.

Любопытно, что и плутонисты, и нептунисты в своих построениях исходили только из вертикальных движений земной коры и даже очевидные факты ее горизонтальных перемещений пытались объяснить как следствия вертикальных. Но почему-то сторонников этой гипотезы назвали не «вертикалистами», а «фиксистами».

Надо признать, что фиксисты провели основательные исследования и выделили совершенно реальные особые структуры земной коры. Например, геосинклинали — бывшие подвижные участки земной коры со смятыми, разбитыми разломами мощными толщами осадочных пород и в то же время с различными проявлениями магматизма. Правда, механизм возникновения этих структур, которые свидетельствовали о каких-то важных процессах в эволюции Земли, так и не нашел убедительного объяснения в рамках фиксизма

Читая «Палеогеографию» 1951 года, все время натыкаешься на фиксистскне гипотезы, последовательно излагаемые К. К. Марковым, и с вершины современной горы собранных географических, геологических и геофизических фактов видишь неверно заполненные пробелы мозаики (что и стало возможным увидеть только при наличии такой «горы»).

И все же за этими пробелами и неверными ходами в книге обнаруживается основа всего происходящего на поверхности планеты: «вещество Земли испытало и испытывает процесс глубокого внутреннего развития»,— пишет К. К. Марков. И еще он убежден, что рельеф Земли — это следствие «движения вещества земной коры и земных недр».

Фиксизм к этому времени собрал уже достаточно фактов и выявил достаточно противоречий, так что мобилизм просто должен был появиться, чтобы привести все факты в соответствие с законами физики и выстроить логическую цепочку смены обстановок на Земле Спор плутонистов и нептунистов мобилизм решил просто и изящно. Не было ни континентов, ни океанов! Но в «смутное время» возник запущенный конвекцией конвейер, в котором в рифтовой трещине, опоясавшей земной шар, шло выплавление тяжелой коры океанического типе, а в зонах субдукции шло погружение и переплавка этой коры. Б этих зонах создавались и наращивались фрагменты легкой континентальной коры, которая была как бы пеной или шлаком процесса переплавки. Две ступени рельефа — результат единого процесса, который действует до сих пор.

Кора океанического типа тяжелая, поэтому она рождается и потом обязательно тонет в мантии, так как она тяжелее мантии. Именно поэтому океанические впадины всегда молоды. Легкая континентальная кора утонуть не может, поэтому она на всех этапах эволюции только наращивается. Бот почему самые древние фрагменты земной коры находят на континентах. И все же на континентах находят и древнюю океаническую кору, как раз в тех структурах, которые фиксисты назвали геосинклиналями. Геосинклинали — это участки земной коры, образовавшиеся там, где «захлопнулись» древние океаны, а фрагменты океанической коры впаялись в континентальные породы. Сейчас они «встали на место», вписались в глобальную тектонику плит, теорию, которой еще не существовало во времена написания «Палеогеографии».

История третья: Мировой и Пятый океаны

К. К. Марков констатировал, что вопрос, «как изменяется объем воды Мирового океана во времени, совершенно неясен». Это было реальное отражение состояния проблемы в то время. С одной стороны, такой авторитет колоссальной научной интуицией, как В. И. Бериадский, считал, что объем гидросферы за время существования Земли почти не менялся. С другой стороны, фиксисты говорили о поздней «океанизации» планеты как о некотором разовом явлении, после чего объем гидросферы также практически не менялся.

Между фиксистами и мобилистами не возникает спора по поводу ювенильного происхождения гидросферы, то есть происхождения путем дегазации недр Земли. Бысокоминерализованные горячие источники ювеиильной воды и сейчас изливаются в районах рнфтовых трещин на дие океана. Температура воды в них достигает нескольких сотен градусов Цельсия. Когда такая перегретая струя врывается в холодную океаническую воду, содержащиеся в ней химические соединения переходят в нерастворимую форму и осаждаются, формируя вокруг струи трубу из осадков и черный шлейф над ней. За это они получили название «черные курильщики».

В «смутное время» нечто подобное очевидно, возникло в зонах первых риф товых трещин. Ювенильные источники и выбросы пара сформировали первые водоемы, а вырывавшиеся вместе с ними газы — первичную атмосферу.

Дегазация и выброс магмы в рифтовых трещинах и зонах вулкенов — это процесс освобождения недр планеты от избытка тепловой энергии, а такое теплоемкое вещество, как вода, служит хорошим поглотителем тепла.

Если гипотеза о холодном способе формирования нашей планеты справедлива, то, несомненно, первичное вещество включало льдистые частицы и, может быть, целые глыбы льда, подобные тем, которые сейчас наблюдают б кометах. Бода и газы были адсорбированы частицами первичного вещества. Поэтому волна тепла из недр Земли в первую очередь должна была вытеснить первичные воду и газы на поверхности планеты. Возможно, это произошло еще до образования рифтовых трещин, а может быть, происходило параллельно. Во всяком случае, на первом этапе очень быстро могла сформироваться уже значительная гидросфера и тонкая атмосфера, которые не являлись результатом дегазации магмы, а сами были первичным веществом Земли, вытесненным волной тепла на ее поверхность.

Поэтому самая первая гидросфера и самая первая атмосфера могли по содержащимся в них растворам и газам сильно отличаться от состава дегазируемых магмой веществ. Может быть, в этой самой первой атмосфере кислорода было значительно больше, чем в последующей, формировавшейся за счет дегазации магмы?

Возможен и другой сценарий. Первичная атмосфера и гидросфера могли образоваться из включений льда и газа, но не за счет внутреннего разогрева, а за счет разогрева верхнего слоя Земли при ее бомбардировке метеоритами и астероидами. При этом из магмы могли выделяться на поверхность планеты некоторые составляющее ее первичного вещества.

Суша, гидросфера и атмосфера образовали климатическую систему, и стало возможным говорить о климате нашей планеты. На первых этапах, при еще малой массе атмосферы, значительной, но не такой большой, как сейчас, гидросфере, климат мог быть таким, что на Земле вода существовала в трех фазах. А это означает, что на ее полюсах могли образоваться ледники. Во всяком случае, как уже было сказано, «смутное время» позволяет делать самые смелые предположения, не противоречащие законам физики.

Движение литосферных плит, изменения размеров суши и океана, изменения массы и состава гидросферы и атмосферы, эволюция биосферы неоднократно приводили к переходам от теплых к холодным периодам на планете и обратно, то есть к изменениям климата. Меняющийся лик Земли при относительно стабильном свечении Солнца был регулятором баланса тепла на поверхности нашей планеты за счет непрерывного изменения отражательной способности поверхности планеты — ее альбедо. Словом, недра Земли меняли климат. В такой вывод укладываются все гипотезы причин оледенений, связывающие их с земными факторами и широко освещенные в «Палеогеографии».

История четвертая: загадка жизни

Появление жизни на Земле — это появление одного из самых мощных факторов эволюции географической среды, воздействие которого еще не до конца оценено. Только сейчас человек, глядя на дела рук своих, начинает осознавать роль биосферы — а в ней и себя — в воздействии на лик планеты. В «Палеогеографии» К. К. Маркова появлению жизни был отведен специальный раздел, который начинался буквально теми же словами, что и все современные обсуждения этой проблемы: жизнь так же вечна, как и материя; жизнь возникла вне Земли и занесена на нее извне; жизнь возникла на Земле, Эти гипотезы имеют свою давнюю историю, но как раз в середине нашего века в момент создания «Палеогеографии» внимание было сосредоточено на последней гипотезе, что привело к категорическому выводу: «первые два взгляда ошибочны». Проблему появления жизни сводили к проблеме синтеза органического вещества из неорганического.

Сейчас стало известно, что органическое вещество синтезируется не только на Земле, но и в космосе, и уже в момент образования нашей планеты могло войти в состав ее вещества.

Другая проблема, ставившаяся в «Палеогеографии:»,— это продолжительность эволюции от косной материи к живой, которая оценивалась во многие миллиарды лет. Возникало явное противоречие — с одной стороны, оценки возраста нашей планеты ядерными методами свидетельствовали о достаточно ограниченном времени ее существования, с другой — длительность эволюции от косного к живому явно уводила момент возникновения жизни за пределы Земли.

В. И. Вернадский в книге «Биосфера» (1926 год) писал: «1) Никогда в течение всех геологических периодов не было и нет никаких следов абиогенеза (то есть непосредственного создания живого организма из мертвой, косной материи). 2) Никогда в течение всего геологического времени не наблюдались азойные (то есть лишенные жизни) геологические эпохи». Эти выводы блестяще подтверждены исследованиями самых древних горных пород, которые за 60 лет после выхода в свет книги В. И. Вернадского, отодвинули время документированной истории Земли к отметке 4 миллиарда лет назад, в «смутное время» планеты. Поскольку и эти породы оказались «зараженными» жизнью, то, как отмечает член-корреспондент АН СССР Г. А. Заварзин, они «окончательно вытесняют возникновение жизни из земных пределов в космос». Конечно, выведение вопроса о происхождении жизни с Земли в космос не делает проблему проще, скорее наоборот, создает дополнительные трудности. Сейчас все более четкими становятся формулировки условий, необходимых для возникновения жизни. Это образование и накопление органических соединений, в том числе аминокислот, Сахаров, нуклеотидов и так далее, нарушение зеркальной симметрии и, наконец, формирование биополимерных систем, способных к саморепликации (другими словами — к самоповторению). Проведено математическое моделирование, которое показало, что для начальных условий Земли — «смутного времени»— нарушение зеркальной симметрии может осуществиться в десяток миллионов лет. А это позволяет «вернуть» возникновение жизни на Землю.

Независимо, от того, где возникла жизнь, решение многих палеогеографических проблем становится более определенным в связи с тем, что эволюция географической среды со времени начала документированной истории планеты, то есть не менее четырех миллиардов лет, шла под сильным воздействием биосферы.

далеких условиях «смутного времени» только бактерии могли выжить и найти свои экологические ниши. Возможно, первыми экологическими нишами для бактерий были гидротермы выходы термальных вод из недр,— где бактерии перерабатывали газы, поступающие из мантии, и положили начало биогенному циклу кислорода и углерода. И сейчас подобные бактерии перерабатывают газы гидротерм на суше и в океане, сохранившись почти неизмененными миллиарды лет. Прокариоты (безъядерные одноклеточные) были единственными обитателями Земли в течение почти половины ее документированной истории. Их биогеохимическая деятельность пока не оценена до конца, например, в образовании огромных скоплений древних железных руд — джеспелитов, а также карбонатов, сульфатов и других пород.

Г. А. Заварзин подчеркивает, что на Земле идет биогеохимическая эволюция, которая заключается в замене геохимических механизмов на биогеохимические и в переходе от механизмов с прямыми цепями реакций к механизмам циклическим. Такую систему создали прокариоты, которые встроились в геохимические циклы, катализируя реакции, а биосфера включала в эту систему все новые пласты организмов. Сначала 1,5—2 миллиарда лет назад в нее включились эукариоты (ядерные одноклеточные) — водоросли, затем беспозвоночные океана, а около четырехсот миллионов лет назад — высшая наземная растительность, грибы и животные, а также организмы, ведущие к образованию гумуса. С этого момента появляется новый компонент географической среды — почва, роль которой в эволюции еще не оценена в больших масштабах времени. С появлением многоклеточных каким-то образом изменился и механизм эволюции биосферы: прокариоты и эукариоты сохранились почти неизмененными, а многие высокоорганизованные организмы исчезли с лица Земли.

Как в середине XX века, так и сейчас, палеогеография основывается на фактах, теориях, гипотезах и даже предположениях. Это естественный путь любой науки. Важнейшим моментом в ее развитии было появление плитовой тектоники — стержня, на который нанизываются очень многие (правда, пока не ) факты развития биологии и других наук вплоть до планетологии. К сожалению, пока еще нет обобщающих, комплексных палеогеографических сводок, в которых бы рассматривалась эволюция не отдельных оболочек планеты, а эволюция географической среды в целом. Задача это сложная, но сейчас все больше и больше проявляется стремление к обобщениям, синтезу разрозненных знаний.

Разумеется, остается еще много спорных и нерешенных проблем и вопросов. Например, проблема «смутного времени», или проблема эволюции атмосферы и океана.

Еще больше проблем и вопросов вызывает развитие биосферы. Недостаточно выяснены пути эволюции прокариот, переход к эукариотам и от них — к многоклеточным организмам. Какова во всем этом роль создаваемых самой биосферой биогеохимических циклов и интенсивности внутренней эволюции недр, внешнее проявление которой — движение литосферных плит и тектоно-магматические циклы? Не вытеснилась ли, например, жизнь из моря на сушу во время «захлопывания» океана? Как влияло на эволюцию биосферы сокращение числа экологических провинций при сбегании материков и их увеличение при разбегании? К каким последствиям приводили глобальные потепления и похолодания, которые сопровождались сильным сокращением или расширением холодных «ловушек» для органического углерода?

Может быть, комплексный палеогеографический подход смог бы дать ответ на некоторые вопросы, но пока еще никто не взял на себя тяжелый груз сведения в единое всего имеющегося фактического материала, как это сделал в первой четверти нашего века В. И. Вернадский в книге «Биосфера», а в середине века попытался сделать К. К. Марков в курсе «Палеогеографии».

Мы, тогда молодые научные сотрудники и студенты, зачитывались «Палеогеографией» Маркова. Каждому человеку небезразлична история нашего общего дома — Земли, и Константин Константинович Марков хорошо это ощущал. Автору этих строк «Палеогеография» открыла бесконечность познания и бездну времени, которое пока так и осталось незаполненным и без хорошо различимых начала и конца.