Как и архей, протерозойская эра длилась почти два миллиарда лет. К ее концу почти девять десятых из 4,5 миллиарда лет истории Земли уже прошли. Хотя о протерозое мы знаем значительно больше, чем об архее, наши данные все еще очень неполны, особенно в отношении начального периода. Однако протерозойские породы распространены сравнительно широко, особенно в сравнении с породами архея. Мы знаем по найденным в ним остаткам, что строматолиты стали очень распространенными, что содержание кислорода в атмосфере увел {шилось и что, как и в наше время, поднимались и затем разрушались горные хребты. Мы даже знаем немного о климате протерозоя. Каковы же источники всей этой информации? Вероятно, настало время рассмотреть некоторые способы, с помощью которых геологи читают записи, имеющиеся в горных породах, пользуясь образцами из протерозоя.

Одним из фундаментальных понятий в науках о Земле является принцип актуализма. Это слово означает то, о чем говорит. В учебниках смысл этого понятия часто передают фразой: «настоящее есть ключ к прошлому». В сущности, в понимании этого принципа геологические науки не стоят особняком. Эта фраза просто подчеркивает тот факт, что геологическими процессами управляют те же самые законы физики и химии, а описывают их те же математические законы и модели, как и все в природе. Если на обнажившейся поверхности песчаника возрастом в 300 миллионов лет мы видим следы ряби, похожие на те, что образуются и в наше время на прибрежном песке, то вполне вероятно, что этот песок был отложен в такой же обстановке. Хотя принцип актуализма может показаться очевидным, в свое время он являлся революционной идеей. Шотландский геолог Хаттон первым применил его систематически в своих исследованиях. Этот принцип имел своих противников, но если его применять, опираясь на здравый смысл и с учетом огромности геологического времени, то он служит геологии хорошо. Даже события, которые с человеческой точки зрения являются редкими или катастрофическими, как, например, наводнения, происходящие раз в столетие, или катастрофическое землетрясение, или даже падение большого метеорита, являются на самом деле закономерно повторяющимися, периодическими или до некоторой степени предсказуемыми на геологической временной шкале. Мы узнали, что древнейшая атмосфера Земли была богата углекислым газом и что даже в конце архея атмосфера содержала очень мало кислорода. Но породы, сохранившиеся от протерозоя, рассказывают нам уже другую историю, и до чего же она увлекательна! Подробно изучая эти породы и в то же время принимая во внимание принцип актуализма, геологи могут реконструировать по крайней мере некоторые этапы развития современной атмосферы.

 

ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ

Свидетельства об изменяющемся составе атмосферы, содержащиеся в породах протерозоя, позволяют предполагать, что в течение этой эры происходило резкое возрастание концентрации кислорода. Мы знаем, что содержание его в современной атмосфере, поддерживаемое процессом фотосинтеза, протекающим в растениях, равно 21 объемному проценту, и понятно, что колебания уровня его содержания в прошлом были неразрывно связаны с историей жизни на Земле. Ниже мы рассмотрим интересные и неожиданные последствия изменений содержания кислорода в атмосфере — например, в отношении добычи железной руды для наших металлургических заводов. Особенностью некоторых протерозойских осадочных пород, возраст которых превышает приблизительно два миллиарда лет, является то, что они содержат такие минералы, как пирит (называемый иногда «золотом дураков») и уранинит. По своему химическому составу пирит представляет собой сульфид железа, FeS2, а уранинит, как вы можете догадаться, есть минерал урана. В некоторых местах концентрация уранинита в породах протерозоя настолько велика, что его можно добывать в качестве урановой руды. Сами по себе находки этих минералов не являются чем-то выдающимся — их находят также и в породах другого возраста. В особое положение раннепротерозойские пирит и уранинит ставит тот факт, что они встречаются в осадках, которые были первоначально отложены в условиях речных русел и морских пляжей. Тщательное исследование показало, что сами минералы представляют собой угловатые зерна, извлеченные процессом эрозии из какой-то материнской породы и перенесенные к месту их отложения текучей водой. Однако ни уранинит, ни пирит не встречаются в такой обстановке в наше время, поскольку в присутствии кислорода они неустойчивы. За очень короткое время они окисляются и разрушаются. По-видимому, те реки или потоки, в которых эти зерна переносились к месту их отложения, как и современные потоки, находились в контакте с протерозойской атмосферой. Принцип актуализма подсказывает, что атмосфера раннего протерозоя отличалась от современной. Очевидный ответ состоит в том, что атмосфера содержала тогда так мало кислорода, что как уранинит, так и пирит могли сохраниться в виде угловатых зерен, не подвергаясь окислению. Эти минералы больше не встречаются в отложениях водных потоков моложе приблизительно двух миллиардов лет, что указывает на то, что в это время содержание кислорода в атмосфере начало повышаться.

Возможно, хотя и маловероятно, что зерна урана и пирита сохранились, избежав окисления, благодаря какому-то пока еще неизвестному механизму. Но существует еще по крайней мере два указания в протерозойских породах, которые также заставляют нас предположить, что земная атмосфера имела низкое содержание кислорода до эпохи, отстоящей от нас приблизительно на два миллиарда лет. Одно из них связано с добычей железа.

Большая часть мировых запасов железной руды заключена в месторождениях, известных под названием полосчатых железных руд, или сокращенно ПЖД. Эта руда встречается в осадочных породах, но собственно месторождения сложены полосчатыми породами с характерным чередованием тонких слоев, богатых железом, и слоев, богатых кремнием. Богатые железом слои имеют гораздо более темный цвет, чем богатые кремнием, и придают месторождению его чрезвычайно характерный полосатый облик. Большая часть запасов мировых полосчатых железных руд содержится в отложениях раннего протерозоя, возраст их немногим больше 1,8 миллиарда лет.

Понимание значения ПЖД как показателей содержания кислорода в атмосорере требует некоторого представления о химическом поведении железа, которое сильно зависит от количества кислорода в окружающей среде. Металлическое железо, как хорошо знает всякий владелец

автомобиля, очень быстро взаимодействует с кислородом, образуя ржавчину. Но в обычных горных породах земной коры железо в форме металла не встречается. В основном оно существует в виде одного из двух ионов разной валентности (или в двух состояниях окисления); то есть Fe2+ или Fe3+, и в соединении с другими элементами, образуя типичные минералы, встречающиеся в обычных породах. В изверженных породах, большая часть которых является результатом расплавления пород мантии, основная масса железа находится в более низком состоянии окисления, или в виде иона Fe2+. Однако, когда эти породы подвергаются воздействию дождевых вод, некоторая часть этого железа растворяется в воде и, благодаря высокому содержанию кислорода в атмосфере, быстро окисляется до Fe3+. (Однако, когда эти породы подвергаются выветриванию в результате воздействия дождевой воды, часть этого железа растворяется, а высокое содержание кислорода в атмосфере очень быстро вызывает его окисление до Fe3+.) Но Fe3+ является почти нерастворимым в воде, вследствие чего железо очень быстро осаждается в виде тонкозернистого, похожего на ржавчину вещества, оставляющего красноватые пятна на дне ручьев или иных водоемов, где оно собирается. В результате этого все природные воды на сегодняшней Земле содержат очень мало железа в растворенном виде. С другой стороны, если бы содержание кислорода в атмосфере было значительно ниже, то ионы Fe2+ не окислялись бы и те же самые воды могли бы содержать гораздо больше растворенного железа, поскольку Fe2+ гораздо более растворим, чем Fe3+.

Месторождения полосчатых железных руд откладывались в воде, а геологические особенности большинства из них указывают на то, что они образовались в прибрежных водах морей, хотя и на различной глубине. Железо в этих осадках представлено окисленным (трехвалентным) ионом Fe3+, осажденным из толщи воды. Поскольку имеются данные о все еще низком содержании кислорода в атмосфере во время образования этих месторождений, был сделан вывод, что необходимый для этого процесса кислород поступал в результате фотосинтеза, осуществляемого водорослями, жившими на поверхности воды. Но тут возникает важный вопрос, касающийся состава атмосферы, а именно: как переносились эти огромные количества железа к местам их отложения. Как отмечалось выше, в современных условиях очень мало железа, растворенного из горных пород на суше, переносится в океаны в силу того, что оно быстро окисляется и выпадает в осадок в виде окислов железа. То же справедливо и в отношении железа, растворенного из базальтовых пород морского дна циркулирующими водами подводных горячих источников. Это еще раз указывает на то, что в раннем протерозое условия среды очень отличались от современных. Низкое содержанке кислорода в атмосфере делало возможным перенос весьма больших количеств железа в форме иона Fe2+. Когда на пути его перемещения встречались поверхностные зоны морской воды, сравнительно обогащенные кислородом фотосинтезирующими водорослями, оно осаждалось из раствора в виде окиси железа. Тот факт, что большая часть известных полосчатых железосодержащих толщ приурочена к геологическому времени раньше 1,8 миллиарда лет до нашего времени, также говорит о том, что к тому моменту содержание кислорода в воздухе уже возросло до такого уровня, когда большие количества растворенного железа больше не могли переноситься поверхностными водами. Третье указание на содержание кислорода в атмосфере также связано с окислением железа. В геологической летописи толщи и слои осадков, имеющих отчетливо красноватый цвет, обычно песчаников, встречаются довольно

часто. Неудивительно, что геологи часто называют их красно цветными толщами. Их цвет обусловлен присутствием тонкозернистого окисленного железа в форме минерала гематита, который часто обволакивает, а иногда и цементирует кварцевые зерна песчаника. Красноцветные толщи часто разрабатывают с поверхности карьерами для получения строительного камня, что может подтвердить всякий, видевший Красный Форт в Старом Дели или соборы в Чичестере или Карлайле в северо-западной Англии. Красноцветные толщи старше 2,2-2,3 миллиарда лет нам неизвестны, очевидно в силу того, что до этого времени в атмосфере Земли не хватало кислорода для образования гематитового цемента. Еще раз стоит предостеречь, что могли существовать и другие причины этого отсутствия. Например, некоторые геологи указывали, что те типы среды, в которых отлагались красноцветные породы, могли еще не существовать в архее или раннем протерозое. Многие из красноцветных пород сложены осадками не морского происхождения, отложившимися на больших площадях континентов в засушливой обстановке, а небольшие континенты, типичные для самой ранней части геологической истории, были, возможно, неблагоприятны для отложения таких толщ. И тем не менее все же существуют осадки, имеющие возраст более двух миллиардов лет, которые, по-видимому, образовались в тех условиях, которые в наше время соответствуют условиям возникновения красноцветных пород, но они сцементированы не гематитом. Этот факт весомо указывает на решающую роль содержания кислорода в атмосфере в образовании красноцветных толщ.

Таким образом, даже несовершенные записи в геологической летописи протерозоя дают очень важные знания о путях развития земной атмосферы. Они показывают, что около двух миллиардов лет назад произошло отчетливое увеличение содержания кислорода в атмосфере. После этого времени уранинит и пирит уже не могли накапливаться в реках и прибрежных песках морских пляжей в виде угловатых зерен: они окислялись и разрушались. Железо, растворенное как из континентальных, так и из донных пород, быстро окислялось и осаждалось, и его большие количества, необходимые для образования полосчатых железистых толщ, уже не могли переноситься к морю или даже внутри моря. И по той же самой причине гематит получил возможность осаждаться из межгранулярной воды в песчаниках, образуя оболочки зерен и цемент, скрепляющий их, и создавая на протяжении всего оставшегося геологического времени мощные слоистые толщи красноцветных пород. Хотя отдельные геологические факты никогда не могут быть однозначными, их совокупное свидетельство очень убедительно. Подобно детективам геологи собирали кусочки, казалось бы, никак не связанных между собой фактов, которые, взятые в совокупности, показывают, вне всяких сомнений, подробности событий, происшедших более двух миллиардов лет назад. Несмотря на сравнительную редкость ископаемых остатков, относящихся к протерозою, они подтверждают выводы о происхождении атмосферного кислорода, сделанные на основании других фактов. Записи в геологической летописи показывают, что сложные многоклеточные организмы появились только в конце протерозоя, хотя строматолиты были очень распространены уже в начале этой эры. Современные строматолиты живут в тропиках в приливо-отливной полосе и представляют собой главным образом колонии водорослей, производящих кислород путем фотосинтеза. Вполне возможно, что прибрежные воды океанов или внутренних морей на относительно больших материках, развившихся в конце архея и в начале протерозоя, создали благоприятную среду для расцвета строматолитов, что привело к увеличению скорости производства кислорода, по сравнению с предыдущим периодом. Однако в силу высокой химической активности большая часть кислорода, произведенного первоначально путем фотосинтеза, была быстро израсходована в химических реакциях, в которых окислялись как компоненты пород суши, так и различные составляющие самой атмосферы. Впрочем, в конце концов по мере увеличения скорости и масштабов фотосинтеза кислород стал накапливаться в атмосфере.

 

КЛИМАТ ПРОТЕРОЗОЯ

В геологической летописи протерозоя имеется очень мало фактов, относящихся к его климату. Большая часть нашей информации о климате в последующие периоды геологической истории заключена в ископаемых остатках организмов, так как у нас имеется достаточно хорошее понимание типов среды, в которых процветали многие ископаемые организмы. В этом отношении редкие остатки организмов, живших в протерозое, в основном одноклеточные бактерии, дают мало информации. И тем не менее в некоторых породах протерозоя все же сохранились самые древние свидетельства оледенения, может быть, даже глобального.

Вывод о том, что некоторые типы осадочных пород являются результатом деятельности ледников, основан на принципе актуализма: отложения, связанные с современными ледниками, хорошо изучены и некоторые из их особенностей определяются вполне отчетливо. В древних породах Канады, около озера Гурон, имеющих возраст 2,3 миллиарда лет, встречаются тонкие прослои варвитов — очень мелкозернистых осадков, напоминающие годичные слои осадков, откладывающихся в ледниковых озерах. Типичные современные ленточные глины состоят из чередующихся пар слойков, отражающих годичный цикл, в которых один слоёк соответствует быстрому таянию льда и переносу осадка в летний период, а второй, более тонкозернистый, соответствует более медленному осаждению зимой. Хотя в протерозойских образцах пород затруднительно различить такие детали строения, эти породы почти несомненно представляют собой древние варвиты ледникового происхождения. Эти тонкозернистые слоистые осадки изредка содержат даже большие гальки или валуны — «дропстоуны» (dropstones), являющиеся характерной чертой ледниковой среды, в которой более грубый материал иногда переносится на плавающих льдинах и падает на дно потока вдали от своего источника в очень тонкозернистый в целом осадок. Ледниковые осадки приблизительно такого же возраста, как и найденные в Канаде, были обнаружены и в других частях Северной Америки, а также в Африке, Индии и Европе. Это указывает на глобальный характер оледенения и на то, что в течение определенного периода времени в начале протерозоя (длительность которого неизвестна) Земля была охвачена оледенением.

Хотя существует много районов земной коры, породы которых старше 2,3 миллиарда лет, нигде в них не обнаружены явные признаки более древних периодов оледенения. Это отнюдь не означает, что их нет, ибо наша летопись полна пробелов, и большая часть древних пород претерпела сильный метаморфизм, так что их историю трудно расшифровать. И все же имеющиеся факты позволяют предположить, что это оледенение, случившееся 2,3 миллиарда лет назад, является одним из первых крупных периодов глубокого охлаждения, которым подверглась Земля за свою историю, или по крайней мере после того, как начались первые записи в геологической летописи около 3,9 миллиарда лет назад. (Возможное промерзание океанов насквозь, о котором говорилось в главе 2, являлось событием совершенно иного порядка по своему масштабу, чем обсуждаемые здесь оледенения, и во всяком случае, даже если оно вообще произошло, это случилось задолго до начала геологической летописи, отраженной в горных породах.) Однако после раннепротерозойского оледенения климат, по-видимому, долгое время оставался вполне благоприятным для развития жизни. Нет никаких признаков оледенений и в последующие полтора миллиарда лет или около того. Далее внезапно наша геологическая летопись указывает ряд эпизодов, похожих на оледенения, в период приблизительно от 850 до 600 миллионов лет назад, в конце протерозойской эры. Эти последующие периоды также представляли собой явления глобального характера, поскольку на всех существующих континентах (за исключением, может быть, Антарктиды, большая часть которой в наше время покрыта льдом и недоступна для исследования) имеются признаки оледенения в течение этого периода. Хотя в конце протерозоя расположение континентов на Земле сильно отличалось от современного, широкое распространение следов оледенения указывает на то, что на большей части планеты, даже в низких широтах, царил холод. В конце протерозоя зимние каникулы в районе современного Карибского моря вряд ли доставили бы большое удовольствие.

 

ЭВОЛЮЦИЯ КОНТИНЕНТОВ

А что собой представляли континенты в протерозое? Выше уже отмечалось, что в начале архея они были небольшими и, вероятно, не очень похожими на современные материки. К концу архея уже существовали континенты большего размера, а к концу протерозоя их размеры и физическая природа были уже очень похожи на современные. От долгого периода протерозойской истории сохранилось много следов континентообразующих событий; они свидетельствуют о том, что происходившие тогда процессы не очень отличались от современных. Одним из наиболее документированных примеров этого может служить область Северной Канады, исследованная Полом Хоффманом из Геологической службы Канады.

Хоффман провел несколько летних полевых сезонов, картируя породы, выходы которых распространены на Северо-западных территориях Канады. На обширной территории, простирающейся от северных берегов материковой части Канады до Большого Невольничьего озера на юге, он распознал и нанес на карту остатки протерозойского цикла эрозии, осадконакопления и горообразования (рис. 4.2). Протерозойские горы уже давно смыты, и современный ландшафт отличается пологим, сглаженным рельефом и однообразием. Но у него своеобразная дикая красота и, что лучше всего для геолога, большая часть его почти лишена растительности, выходы горных пород хорошо обнажены и готовы рассказать свою повесть.

Но как же возможно собрать по кусочкам — обнажениям горных пород — историю, которая произошла здесь более двух миллиардов лет назад? Мы уже мельком взглянули на этот процесс реконструкции истории Земли при обсуждении происхождения атмосферного кислорода, но чтобы подробнее познакомиться с этим предметом, потребовалась бы отдельная книга. Интерпретация геологических данных требует глубокого понимания геологии, а также большого опыта анализа полевых данных. Но некоторые из основных элементов этой работы весьма просты и, в сущности, основаны на обычном здравом смысле. Возьмем, например, время. Более подробно об этом будет говориться в следующей главе, но и так вполне очевидно, что время, особенно в отношении возраста пород и скорости различных геологических процессов, является критическим фактором, определяющим понимание геологической истории определенной территории. По крайней мере относительное время, то есть вопрос о том, является конкретная порода или толща пород более молодой или, наоборот, более древней, чем ее соседи, часто решается очень просто. Например, в последовательности каких-либо осадочных образований более древние образования (слои) обычно располагаются в: нижней части разреза через толщу пород, а самые молодые — в его верхней части. Для других пород ключом к пониманию их относительного возраста являются пересечения пород. Например, если тело изверженной породы или поверхность сброса пересекает толщу другой породы, то они, очевидно, моложе самой толщи. Эти примеры могут показаться очень упрощенными, но применение именно такого подхода часто позволяет определить относительный возраст пород даже в очень сложных ситуациях (рис. 4.1). Только после того, как выполнена эта задача, оказывается возможной реконструкция действительной последовательности геологических событий.

Рис. 4.1. Геологический разрез может содержать огромное количество информация, хотя установление временных соотношений между различными геологическими телами подобно разгадыванию головоломки. Попробуйте-ка решить эту. Фактическая последовательность событий обозначена буквами следующим образом: А — отложение осадков, затем их метаморфизм и складкообразование; В — внедрение гранитной магмы в метаморфизованные осадки; С — образование эрозионной поверхности на элементах А и В путем выветривания на поверхности (это говорит о том, что А и В должны были претерпеть поднятие, поскольку и метаморфизм А и интрузия В произошли в глубинах земной коры); D — F — отложение слоев осадков из какого-то водного бассейна; G — образование разлома со смещением (обратите внимание, что разлом не пересекает элементы моложе F и в настоящее время не является активным); Н — вторая эрозионная поверхность (обратите внимание, что, поскольку элементы D, Е и F, подобно всем осадкам, залегали горизонтально при своем образовании, вся область была наклонена перед тем, как подверглась эрозии. Между F и I мог пройти очень большой промежуток времени); I — К — дальнейшее отложение осадочных толщ; L — внедрение тела изверженных пород вероятно, того, что питало потоки лавы на поверхности, которые в дальнейшем были эродированы; М — современная дневная поверхность, сформированная эрозией.

Рис. 4.2. Пол Хоффман из Геологической службы Канады закартировал протерозойские толщи пород, расположенные вдоль западного края архейского континентального фрагмента в Северной Канаде (верхняя карта). Хотя эти осадочные породы в настоящее время разбиты разломами и метаморфизованы, Хоффман смог реконструировать последовательность образования осадочных толщ (нижняя схема), которая показывает, что осадки сносились с расположенного восточнее континента и накапливались вдоль его края. Затем, позднее, с запада начал появляться вулканический материал, указывающий на приближение (которое в конце концов привело к столкновению) другого континента и/или островной душ. Заимствовано с изменениями из рисунков 10-1 и 10-4 в книге: С. М. Стэнли «Земля и жизнь сквозь время», 2-е изд. Авт. право © 1989, «В. X. Фримэп и Компания».  

Но вернемся к протерозойским породам Северной Канады. Хоффман обнаружил, что исследуемый им регион в начале протерозоя представлял собой край континента и являлся источником материала для образования морских осадков, богатых кварцем (рис. 4.2). Кварцевый песок является хорошим признаком существования где-то рядом древнего континента: при выветривании гранита — типичной породы континентальной коры — освобождается масса зерен кварца. Большая часть других минералов гранита либо растворяется, либо превращается во что-то другое, например, в глину. Белые пески тропических островов (большая часть которых представляет собой окаймленные кораллами вулканы, которые отличаются по составу от песков континентов) могут показаться похожими на пески пляжей Калифорнии или Испании, но они состоят не из зерен кварца, а из кусочков кораллов. Богатые кварцем протерозойские песчаники, закартированные Хоффманом, показывают, что источник континентальных осадков находился восточнее, а океан располагался западнее, по крайней мере с точки зрения современной географии. Ориентировка континентов относительно стран света в протерозое могла быть совершенно иной, чем сейчас. Но на самом верху осадочного разреза — следовательно, в более позднее время — появляются слои других осадков, содержащие материал вулканического происхождения. В отличие от кварцевых песков источник материала для вулканических (точнее, вулканогенных) осадков располагался западнее, со стороны моря. Как это могло быть? До появления в науке теории тектоники плит подобные загадки разрешались с помощью предположения, что где-то в море должен был существовать «исчезнувший» материк. Сейчас мы понимаем, что далее в сторону моря от континентального края действительно была суша, но на основании современного знания мы можем предположить, что источником вулканогенных осадков могла быть, вероятно, группа вулканов, весьма похожих на вулканы Алеутских или Марианских островов, которая в результате движения плиты приблизилась к древнему континенту и в конце концов столкнулась с ним. В наше время на Северо-западных территориях отсутствует какой-либо эквивалент протерозойского океана — западный край Северо-Американского континента находится более чем за тысячу километров. Этот пример никоим образом не является уникальным. Столкновения между материковыми массами, при которых образуется скрепляющий их шов в виде горной цепи, а иногда и обратный процесс раскола континента

и отделения его частей привели к современной конфигурации границ суши и моря. Северная Америка, один из крупнейших континентов, является типичным примером; во многих отношениях он напоминает лоскутное одеяло, собранное из обломков совершенно разного происхождения.

Нарисованная выше картина происхождения пород Северо-западных территорий Канады — первые песчаники, образовавшиеся из песков, отложившихся вдоль окраины континента из расположенного восточнее источника, затем вулканические осадки с запада — является очень упрощенной. В действительности эти породы были метаморфизованы, смяты в складки и рассечены многочисленными разломами. Все это чрезвычайно затруднило реконструкцию их первоначального расположения. Складкообразование, разломы и смещение пород вдоль них, да и метаморфизм — все это почти несомненно было следствием движения континентальных и вулканических блоков, которое сопровождалось эпизодом горообразования. Эта территория во всех своих геологических аспектах — тип складчатости, полосы метаморфических пород, протягивающиеся параллельно древним береговым линиям, типы и последовательности (серии) пород — напоминает современные области столкновения тектонических плит и горообразования. Но, как уже отмечалось выше, в наше время на этой территории Канады горные цепи отсутствуют, сейчас это почти плоская страна с сильно сглаженным рельефом. И опять нам напомнили, что по шкале геологического времени Земля — очень динамичное место.

В горных районах эрозия сносит от 1 до 1,5 метра разрушенного материала горных пород каждые тысячу лет. При такой скорости даже Эверест оказался бы смытым до уровня моря за 5-8 миллионов лет. Но, однако, дело обстоит не так просто, поскольку, по мере того как гора размывается эрозией, ее склоны становятся более пологими и вследствие этого скорость эрозии уменьшается. Частью по этой причине гора Эверест и остальные Гималаи будут еще существовать (хотя и станут более пологими) гораздо дольше, чем следует из современной средней скорости эрозии. Но еще большее значение имеет тот факт, что горы немного похожи на корабли, плавающие в океане: если убрать часть груза, корабль несколько всплывет над уровнем моря. Точно так же, по мере того как горные породы разрушаются и их материал уносится эрозией, земная кора чуть-чуть «всплывает» из лежащей ниже мантии. Если эрозия уносит один метр породы, то ответом Земли на уменьшившийся вес коры будет ее поднятие, таким образом, фактическое уменьшение высоты коры составит всего около 20 сантиметров. По этой причине для того, чтобы типичная большая горная страна была смыта до уровня моря, потребовалось бы, вероятно, от 50 до 60 миллионов лет, хотя это и не особенно долгий срок в масштабах геологического времени. Скалистые горы, Альпы или Гималаи — все они в конце концов исчезнут, но все они оставят память о себе и об истории своего образования и разрушения в толщах сохранившихся пород.

Событие, в результате которого возник ныне исчезнувший горный хребет в Северо-западных территориях Канады, произошло около 1,9 миллиарда лет назад. Но это было лишь одно из многих таких столкновений плит. Уже 1,6 миллиарда лет назад, почти в середине протерозойской эры, большая часть плиты, составляющей сейчас Северную Америку, была собрана из более мелких фрагментов в сверхконтинент, который геологи, изучавшие эти породы, назвали Лаврентия. Пол Хоффман написал работу об этом процессе и озаглавил ее «Соединенные плиты Америки». Этот среднепротерозойский сверхконтинент включал также Гренландию, северную часть Британских островов, а также куски Скандинавии и северной России.

В других частях мира происходили сходные события. Большинство современных континентов содержит мелкие фрагменты архейской коры, спаянные с другими архейскими и протерозойскими фрагментами в зонах столкновения плит. Вполне возможно, хотя пока и не доказано, что практически все современные континенты в конце протерозоя соединялись между собой, образуя один поистине гигантский континент. Часть данных о нем связана с поясом метаморфических пород, который протягивается вдоль восточной части Северной Америки от полуострова Лабрадор до Мексиканского залива. Возраст этих пород колеблется между 1,2 и 1,0 миллиардом лет. В совокупности их называют провинцией Грэнвиль (рис. 4.3). Они выходят на поверхность в восточной Канаде и в Аднрондакских горах штата Нью-Йорк, но присутствуют также под покровом осадочных пород на протяжении большей части Восточных Штатов. Породы провинции Грэнвиль являются памятником мощного столкновения между двумя крупными континентами, из которых нынешняя Северная Америка располагалась на западе, а то, что сейчас составляет Южную Америку, — которая сама была соединена с большинством других континентов, — на востоке. Этот брак между Северо-Американским континентом и другим большим континентом длился несколько сот миллионов лет, пока они снова не начали отходить друг от друга около 800 миллионов (0,8 миллиарда) лет назад — все еще в протерозое. Их раздвиг оставил полосу Грэнвильских пород вдоль восточного края Северной Америки. Как мы увидим в главе 8, еще одна полоса континентальной плиты присоединилась к Северной Америке даже еще позднее, в результате процесса, весьма похожего на тот, который образовал провинцию Грэнвиль. Эта полоса называется сейчас Аппалачскими горами. Все эти различные фрагменты коры, которые сейчас составляют Северо-Американский континент, показаны в виде карты на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Обобщенная возрастная карта Северной Америки, составленная на основе многих сотен конкретных определений абсолютного возраста пород, показывает, что континент состоит из нескольких крупных кусков коры и в общем смысле становится все моложе изнутри наружу. Как провинция Грэнвиль, так и Аппалачская провинция хранят в своем геологическом строении эпизоды горообразования гималайского типа, когда крупные континенты, располагавшиеся восточнее, столкнулись с Северной Америкой, чтобы снова отколоться в более позднее время. Большая часть материала, добавленного во время этих столкновений, сохранилась в виде осадочных пород, фрагментов вулканических островных дуг или частей морского дна, которые изначально разделяли сближавшиеся континенты, хотя отдельные части сталкивающихся материков иногда сохранялись после того, как эти материки позднее разделились. Рис. 8.2 показывает, как этот процесс мог действовать при формировании Аппалачских гор. Темно-серого цвета структура в форме конского копыта, простирающаяся через большую часть Озера Верхнего, — это несостоявшийся протерозойский рифт, который обсуждается в тексте.  

Отметим, что собирающийся из кусков Северо-Американский континент так и не пережил протерозойскую эру нетронутым. На рис. 4.3 виден большой шрам континентальной коры в форме конского копыта, протянувшийся дугой через район Великих Озер с двумя ветвями, или руками, направленными на юг, в центр континента. Это рифт, след незавершенного разделения континентов, случившегося между 1,3 и 1,2 миллиарда лет назад. Хотя этот рифт сейчас заполнен более молодыми породами, он четко определяется по типам пород, которые встречаются в нем. Это базальты — характерная особенность тех мест, где кора разрывается и расходится в стороны, и осадки характерного состава, заполняющие рифтовые долины. В некоторых местах, например вокруг озера Верхнего, эти породы выходят на поверхность, в других местах они погребены и отмечаются в керне буровых скважин. Кроме того, поскольку базальтовые породы рифта имеют высокую плотность и высокое содержание железа, их наличие сильно отражается на характере как гравитационного, так и магнитного полей. Поэтому местоположение и границы рифта можно определить по результатам геофизических работ, проведенных на поверхности, — даже в тех местах, которые целиком закрыты позднейшими осадками. Как же мог образоваться этот огромный рифт, протянувшийся почти на 2000 километров в длину и местами более чем на 100 километров в ширину и содержащий огромные объемы базальтовых лав? Почти несомненно, он возник в результате воздействия столба горячего вещества, внедрившегося из мантии и пронзившего континентальную кору Северо-Американского континента. В наше время такие столбы горячего вещества мантии, поднимающиеся со дна океанов, являются причиной мощного вулканизма Гавайских островов и Исландии. Более подробно о них рассказывается в следующей главе. Однако Северная Америка оказалась слишком пластичной, чтобы расколоться под воздействием даже столба раскаленных пород, поднявшегося из мантии, и даже оставшись со шрамом, она все же избежала раскола на части.

 

ПРОТЕРОЗОЙСКОЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЦАРСТВО

Насколько нам вообще известно, в течение большей части протерозойской эры на фоне образования континентов, их столкновения и раскола на части в биосфере — этом царстве живых существ — произошло удивительно мало изменений. Даже в начале кембрийского периода континент отнюдь не были раем для развития жизни. Хотя уже существовали морские водоросли, а на континентах, возможно, жили даже некоторые примитивные многоклеточные организмы, поверхность суши была почти совсем пустынной и бесплодной по сравнению с нашим временем.

В предыдущей главе мы узнали, что уже в архее существовали одноклеточные организмы, от которых сохранились редкие остатки. По-видимому, это были бактерии и цианофиты (известные также как сине-зеленые водоросли) — клетки, не имеющие ни ядра, ни других важных внутриклеточных структур, свойственных более развитым формам жизни. Их называют прокариотами. Строматолиты состояли из прокариот; мы уже отметили выше,

что они являются, по-видимому, самыми характерными ископаемыми остатками протерозоя. Вплоть до середины протерозойской эры прокариоты были, пожалуй, единственными обитателями морей. Но затем случилось нечто удивительное. В настоящее время все согласны с тем, что следующий шаг к развитию сложных организмов, а именно эукариотовых клеток, или эукариотов, имеющих различные внутриклеточные структуры, произошел в момент, когда прокариотная клетка поглотила другую с намерением, как полагают, съесть ее. Но поглощенная клетка вопреки ожиданиям не поддалась и продолжала жить внутри поглотившей ее в счастливом симбиозе, постепенно изменяясь и приспосабливаясь к такому существованию. Хорошим примером такой внутриклеточной структуры является хлоропласт — структура, существующая в некоторых отдельно живущих эукариотных клетках и в клетках развитых растений, в которых уже осуществляется фотосинтез. Хлоропласты в высшей степени напоминают слегка изменившиеся цианобактерии, или одноклеточные сине-зеленые водоросли. Клетки, имеющие внутреннюю структуру и почти наверняка являющиеся эукариотами, впервые появились в ископаемой летописи около 1,4 миллиарда лет назад.

Удивительно, что даже после появления эукариотных клеток не произошло немедленного взрывного развития многоклеточных животных. На это потребовалось много сотен миллионов лет — гораздо больше, чем прошло от появления на Земле динозавров до наших дней. Несколько ископаемых организмов, являющихся, по-видимому, многоклеточными водорослями, обнаружены в породах возрастом в 1,3 миллиарда лет, но в породах старше 1 миллиарда лет никаких следов многоклеточных животных не найдено. И даже после этого времени дальнейшее развитие было чрезвычайно медленным вплоть до «Кембрийского взрыва», описанного в одной из последующих глав. Почему же для развития на Земле сложных форм жизни потребовалось так много времени? Этот вопрос ставил в тупик даже Дарвина, хотя он не осознавал, насколько в действительности огромен был промежуток времени до кембрия. Он продолжает озадачивать ученых, которые изучают развитие жизни на Земле. Конечно, частично ответить на этот вопрос можно, если вспомнить неполноту ископаемых остатков для докембрийского времени. В то время организмы еще не развили твердых минерализованных частей тела — вроде зубов, щитков, скелетов, которые защищают организм от хищников и довольно хорошо сохраняются в породах. Во всех известных случаях докембрийские организмы не имели твердых частей. В сущности, до самых 1950-х годов палеонтологами не было открыто ни одного неоспоримого доказательства существования жизни в докембрийское время, несмотря на все их энергичные попытки. У нас, возможно, все еще отсутствуют данные о некоторых решающих моментах эволюции более развитых организмов. Но даже если это и так, развитие жизни в самый ее начальный период, несомненно, представляло собой очень медленный процесс, по сравнению с последующими темпами эволюции. Причина этого пока неизвестна, что добавляет эту загадку к числу многих тайн, делающих изучение истории Земли таким увлекательным делом.