Долгое время считалось, что в период от 4,6 до 4 млрд лет назад поверхность Земли была настоящим адом. Учёные рисовали картину мира, покрытого океаном магмы под тяжёлой атмосферой из силикатных и водяных паров. В таких условиях поверхность Земли казалась непригодной для формирования твёрдой коры, а тем более для скопления жидкой воды. Но всё перевернуло одно геологическое открытие, которое заставило учёных полностью переписать учебники. Рассказываем, что обнаружили геологи и почему мировая наука была так встревожена этой находкой.

Цирконы из Джек-Хиллс

В 2001 году группа исследователей обнаружила кристаллы циркона в складчатом поясе Джек-Хиллс в Западной Австралии. Эти минералы размером с песчинку — примерно 220 на 160 микрометров — обладают твёрдостью 7,5 по шкале Мооса. Это больше, чем, например, у кварца или стали, благодаря чему циркон может сохраняться в условиях экстремального выветривания и эрозии.

Wikimedia Commons

Спутниковое изображение региона Джек-Хиллс При кристаллизации магмы циркон вбирает в свою решётку ионы урана и практически полностью исключает свинец. Это значит, что весь свинец, который можно найти внутри неповреждённого кристалла циркона, — результат радиоактивного распада урана. Это свойство циркона позволяет с высокой точностью определять возраст осадочных слоёв, в которых находятся его кристаллы. Анализ образцов 2001 года показал невероятный возраст одного из образцов — 4,4 млрд лет. Это абсолютный рекорд для земного материала. Выяснилось, что кристалл образовался всего через 130–150 млн лет после формирования самой Земли и Луны. Когда континенты снова соберутся в один? Всё о новой Пангее

Что это изменило

Существование твёрдого кристалла в столь ранний период говорит о том, что Земля остыла почти мгновенно в геологическом масштабе. Но главная сенсация скрывалась в содержании кислорода внутри этого образца. Мантия Земли имеет стабильное соотношение изотопов кислорода на уровне 5,3 промилле. А цирконы из Джек-Хиллс показали завышенные значения — вплоть до 7,4 промилле. Такие «тяжёлые» изотопные подписи характерны для магмы, которая впитала поверхностный материал. И этот материал ранее контактировал с жидкой водой при низких температурах.

Wikimedia Commons

Катархей, или период Гадея, в представлении художника Другими словами, эти маленькие кристаллы показали невероятное: уже 4,4 млрд лет назад на Земле плескались океаны и существовала континентальная кора. Жидкая вода появилась на планете на 500 миллионов лет раньше, чем предполагали классические теории. Узнать больше захватывающих подробностей об истории планеты в наглядной и увлекательной форме можно в научно-популярных фильмах, которые легко найти в библиотеках онлайн-кинотеатров.

Теория холодной ранней Земли

Эти находки легли в основу гипотезы холодной ранней Земли. Ранее считалось, что первые 500 млн лет Земля представляла собой ад с океанами магмы, лишённый атмосферы и воды. Но находка 2001 года перевернула это представление: оказалось, что поверхность планеты стабилизировалась чрезвычайно быстро после относительно быстрого остывания магматического океана. Учёные считают, что всего через 160–200 млн лет после аккреции на планете установились условия, пригодные для жизни. Твёрдая корка могла сформироваться за какие-то 10 млн лет, надёжно изолировав поверхность от колоссального внутреннего жара. Это значит, что окно возможностей для возникновения биологических видов открылось намного раньше. В 2015 году внутри циркона возрастом 4,1 млрд лет исследователи нашли включения графита, в которых преобладал лёгкий изотоп углерода. Это даёт веские основания предполагать наличие биосферы уже в тот ранний период.

Куда исчезли древние материки

Если континентальная кора существовала 4,4 млрд лет назад, почему от неё остались только микроскопические зёрна? Основная версия гласит, что ранняя кора была полностью переработана в процессе тектоники плит или в ходе других геологических процессов, протекавших в то время.

Wikimedia Commons

Фото кристалла циркона, полученное при помощи оптического микроскопа Интенсивные конвективные потоки в горячей мантии могли легко затягивать фрагменты суши обратно в недра. Активный вулканизм и погружение холодного поверхностного материала поддерживали энергетический баланс планеты. Избежать полного растворения в мантии смогли только цирконы благодаря своей исключительной химической и термической стойкости.

Проблема возраста коры

Современные данные показывают кажущееся противоречие в возрасте океанической и континентальной коры. Океаническое дно постоянно обновляется, и его возраст нигде не превышает 200 миллионов лет. В то же время континентальные ядра (кратоны) хранят в себе записи возрастом в миллиарды лет. Древние кратоны вроде Каапвааля в Южной Африке или Пилабары в Австралии содержат аномалии, которые не вписываются в стандартную модель расширения океанического дна.

Изотопные подписи цирконов из Южной Африки указывают на жёсткую, неподвижную кору, тогда как образцы из Джек-Хиллс говорят о зонах субдукции и активной переработке.
В районах древних кратонов находят структуры, представляющие собой «неудавшиеся рифты», которые прекратили развитие и не привели к формированию новых океанов.
Магнитные паттерны континентальной коры кратонов выглядят как хаотичная мозаика, отражающая миллиарды лет столкновений и изменений. В то же время полосы океанического дна линейны и показывают, что изменения происходили плавно и медленно.

Эти данные наводят на мысль, что на ранней Земле могли одновременно существовать разные тектонические режимы в разных зонах.

В итоге

Микроскопические кристаллы из Джек-Хиллс изменили понимание истории Земли. Новейшие исследования показали, что в самый суровый период своего существования планета была удивительно похожа на свой современный облик. Хотя большая часть первичной коры была безвозвратно уничтожена, сохранившиеся цирконы остаются прямыми свидетелями «младенчества» Земли. Они продолжают поставлять данные, которые заставляют учёных переписывать учебники по геологии. Райский мир внутри планеты: что говорят учёные о теории полой Земли