Крупномасштабная химическая дифференциация Земли на металлическое ядро и перекрывающую его каменную оболочку — мантию — должна была произойти в самом начале существования нашей планеты. Что касается возникновения земной коры, то это уже другая история. Мы знаем, что и она тоже образовалась в результате плавления, но в этом случае расплавленные материалы, в отличие от расплавленного железа, обладали меньшей плотностью, чем породы окружающей мантии, и поднимались к поверхности. Этот процесс все еще продолжается и в наше время. Лавы, изливающиеся в наши дни из вулканов, являются результатом процессов плавления, происходящих в мантии и, застывая, они образуют новый материал земной коры. Земная кора, в частности континентальная кора, выросла на протяжении истории Земли, хотя ученые спорят, был ли ее рост непрерывным или эпизодическим, а также изменялась ли его скорость во времени.
Геология — древняя наука. В примитивной форме ею занимались первобытные люди, когда искали месторождения таких пород, как кремень или обсидиан, из которых потом изготавливали (путем отщепления) орудия с острыми краями, необходимые для охоты или вскапывания земли и разделки туш животных. Поиски месторождений негорючих и горючих полезных ископаемых, дающих материалы и энергию, необходимые для функционирования современного общества, по-прежнему являются важнейшей задачей для геологов. Не менее важным, независимо от возможности немедленного практического применения, является познание процессов, происходящих в Земле. В конце концов, геология окружает нас каждый день и на каждом шагу, хотя, вероятно, нелегко распознать этот факт, живя в сердце большого города. Но посетив Великий каньон или Йосемитскую долину, вы приобретете совершенно новый опыт, особенно если хотя бы немного познакомитесь с геологией. Увидеть, что красота Йосемитской долины с ее водопадами, низвергающимися крутыми каскадами, это плод работы возвышающихся над нею ледников, изрезавших породы горной цепи Сьерра-Невада во время недавнего оледенения, или понять, что моря наступают и отступают, потому что много миллионов лет назад отложили слои осадочных пород, ныне обнаженные в стенах Большого Каньона, — все это большинство людей будут переживать снова и снова.
Чтобы прийти к современному пониманию строения Земли и ее истории, геологам пришлось побывать историками, детективами, исследователями-первопроходцами, инженерами и, в первую очередь, пытливыми наблюдателями. А в наши дни им все больше приходится быть биологами, физиками, химиками и математиками, потому что изучение Земли охватывает все эти области знания. Поиск ответов на вопросы, которые поднимают науки о Земле, буквально не дает камням покоя.
Ветхий завет сообщает, что Земля была сотворена за семь дней. Большинство геологов полагает, что даже Бог не смог бы выполнить такую задачу за столь короткое время. Тем не менее, это событие должно было произойти довольно быстро (в геологическом смысле). А насколько быстро — это очень важно, поскольку куски вещества, которые скапливались и слипались в комья, образуя Землю, несли с собой кинетическую энергию, и по мере того как эти обломки сталкивались с разрастающейся Землей, их кинетическая энергия превращалась в теплоту. Количество теплоты, накапливавшееся в недрах быстро растущей Земли, вместо того, чтобы излучаться с поверхности в космическое пространство, и определяло, насколько горячей была Земля в конце первоначального периода ее образования за счет захвата вещества первоначального газопылевого скопления. Чем быстрее протекал этот процесс, тем больше тепла сохранялось и накапливалось в новообразованной Земле и тем горячее становилась она. Без сомнения, первоначальная Земля была очень горячей, хотя об этом этапе ее истории у нас очень мало информации. Была ли внешняя часть Земли полностью расплавлена? Был ли на Земле магматический океан, аналогичный океану, который, по мнению многих геологов, существовал на Луне? Была ли когда-либо вся Земля в расплавленном состоянии?
Все эти точки зрения имеют своих сторонников, но нет никаких определенных и однозначных данных, которые свидетельствовали бы в пользу какой-либо из них. К несчастью, но неизбежно, по мере нашего углубления в прошлое Земли геологические факты и ключи к истории Земли становятся все более скудными и их все труднее интерпретировать. В самом начале, как уже было отмечено в предыдущей главе, и Земля, и другие планеты нашей солнечной системы образовались из кусков и обломков, вращавшихся вокруг первоначального Солнца. Земля разрасталась, захватывая все вещество, находившееся вокруг, пока не достигла за несколько миллионов лет — не более десяти — приблизительно своего нынешнего размера. Хотя мы и не знаем точно, как быстро она стала такой, как сейчас, у нас все же есть данные о характере вещества, из которого она образовалась. Эту информацию мы получаем на основе изучения метеоритов.
Метеориты — гораздо более обычное явление, чем вам, возможно, кажется. Количество образцов в какой-нибудь частной или общественной коллекции достигает нередко нескольких тысяч и постоянно возрастает. Большинство «падающих звезд», прорезающих ночное небо в ясную погоду, представляет собой крошечные метеориты, нагретые до температуры белого каления в результате трения о воздух, которые полностью сгорают в атмосфере, не долетая до поверхности Земли. Лишь немногие из них достигают поверхности. Каждый год на континенты падают десятки тысяч метеоритов, вероятно более 100 000, и еще большее количество падает в океаны. Большая часть их имеет очень маленькие размеры, и они никогда не распознаются как метеорные частицы. Те, которые были найдены и собраны, имеют размеры от горошины до более редких кусков величиной с футбольный мяч, а иногда и гораздо крупнее. С ростом населения Земли все большая доля упавших метеоритов немедленно распознается и подбирается. Некоторые из них иногда попадают даже в автомобили или дома.
В последние годы одним из наиболее богатых источников метеоритов для научного изучения стала Антарктида. Метеориты, падающие на ее снежный покров, сразу же погружаются в снег и лед, но со временем они выносятся к океану ледниками, медленно движущимися от полюса. При падении метеориты уходят глубоко под землю, но местами, там, где медленно ползущий лед встречает погребенные под ним горные хребты, эти скопления метеоритов выносятся вверх. В таких местах холодные сухие ветры Антарктиды быстро сдувают лед, оставляя на месте метеориты, которые он несет с собой. Под воздействием этого процесса в таких местах нередко концентрируются метеориты, падавшие на Землю на протяжении тысяч лет, и поскольку в этом море снега и льда мало других выходов горных пород, эти скопления метеоритов легко заметить. В наше время геологи нескольких стран ежегодно совершают экспедиции в Антарктиду в течение южного лета на поиски таких скоплений метеоритов с помощью автомобилей-снегоходов и вертолетов.
В былые времена метеоритам иногда приписывались особые свойства, поскольку они падали с неба и, как считалось, могли быть посланы богами. Ближе к нашему времени ученые поняли, что метеориты подобно Розеттскому камню несут ценную информацию о древнейшей истории Солнечной системы. Хотя существуют многие разновидности метеоритов, некоторые, по-видимому,
существенно не изменились со времени их образования 4,5 миллиарда лет тому назад, то есть со времени образования Земли. По существу, они, вероятно, очень близки к тому первичному материалу, из скоплений которого образовалась Земля. В следующий раз придя в музей естественной истории или геологический музей, уделите немного времени и метеоритам. Хотя они могут показаться вам очень похожими на обычные камни, они отнюдь не являются таковыми. В отличие от обычных пород метеориты — это удивительные посланцы из прошлого, которые могут многое рассказать нам о том времени, когда формировалась наша Солнечная система.
Наиболее древние метеориты называются хондритами. Они считаются обломками астероидов, пояс которых располагается между Марсом и Юпитером. Состоят они в основном из минералов, обычных для земных пород, но содержат также металлическое железо, которое на земной поверхности как природный материал встречается очень редко. Как мы узнали в предыдущей главе, железо плавится при гораздо более низкой температуре, чем многие обычные минералы. Большая часть металлического железа, принесенного на Землю в процессе ее первоначального роста из захваченных обломков и пыли, расплавилась и опустилась в центр планеты, образовав там металлическое ядро.
Поскольку Земля состоит из химически различающихся оболочек — таких как ядро, мантия и кора, — и поскольку мы можем собрать пробы для анализа только из самой верхней оболочки, определение общего химического состава нашей планеты казалось трудной задачей. Однако и хондриты можно проанализировать в лаборатории. Если они действительно представляют собой тот материал, который, накапливаясь, образовал Землю, тогда просто анализируя их, мы могли бы определить химический состав Земли в целом — поистине удивительная перспектива! Но можно ли считать, что они характеризуют средний состав того вещества Солнечной системы, из которого первоначально образовалась Земля? Имеются веские доводы в пользу того, что это так. Это факты, полученные в результате исследований Солнца, поскольку оно содержит почти всю массу солнечной системы и тем самым, — можно сказать, по определению, — средний состав Солнца соответствует среднему составу всей Солнечной системы. Путем спектрального анализа света, излучаемого Солнцем, ученые получили много информации о его химическом составе. За исключением небольшого числа элементов, находящихся обычно в газообразном состоянии, относительные количества большинства элементов в хондритах почти точно соответствуют их среднему содержанию на Солнце; что является хорошим свидетельством в пользу того, что вещество хондритов не подвергалось существенному химическому фракционированию. Таким образом, сопоставляя информацию, полученную в результате изучения метеоритов, со знанием о средней плотности различных оболочек Земли, выведенным на основе сейсмических исследований, оказалось возможным не только оценить общий химический состав Земли, но даже определить средний состав тех оболочек, образцы пород которых никогда не отбирались, — таких, как глубокие слои мантии и ядро.
