Говоря о том, что с помощью изучения абсолютного возраста пород земной коры трудно проследить историю формирования коры в целом, необходимо отметить важное значение этих исследований для выяснения ряда частных вопросов. В качестве примера здесь можно рассмотреть данные о самых древних породах земной коры.
Наиболее древними из известных в настоящее время пород земной коры являются метаморфические породы, обнажающиеся на западном побережье Гренландии. Считают, что им около 3,7 миллиарда лет. Кроме того, метаморфические породы возрастом 3,6— 3,7 миллиарда лет найдены на территории штата Миннесота в США. Эти породы указывают, что 3,7 миллиарда лет назад кора, без сомнения, уже существовала. Однако до какой степени сохранилась на Земле древняя кора, пока недостаточно ясно.
Измерение абсолютного возраста горных пород является одним из центральных вопросов геохронологии, которая будет темой отдельной главы. После того как в 50-х годах впервые был разработан заслуживающий доверия способ определения абсолютного возраста пород, рекорд «древности горных пород» стал обновляться ежегодно. Положение было таким, что если в предыдущем году находили породу возрастом 1,5 миллиарда лет, то в текущем обнаруживались породы возрастом 2 миллиарда лет. Однако после открытия в начале 60-х годов вблизи Верхнего озера (Канада) метаморфических пород возрастом около 3 миллиардов лет этот новый рекорд «древности» устоялся надолго. Единственная после этого поправка к рекорду была сделана в начале 70-х годов, когда определение времени образования метаморфических пород из Гренландии одним махом увеличило наибольший возраст сразу на 700 миллионов лет.
Возможности прямого изучения мантийного вещества весьма ограничены, поэтому сначала давайте сделаем попытку установить вид эволюции системы кора—мантия по гораздо более доступным нам породам земной коры, определив сначала абсолютный возраст пород, участвующих в ее образовании. Однако при таком способе ознакомления с историей коры очень большая роль отводится правильному выбору образцов для анализов.
Собранные образцы должны верно отражать реально существующие в природе количественные соотношения между различными типами пород и их пространственное распределение. Например, если ограничить район отбора образцов только Японскими островами, можно проследить лишь отрезок истории Земли, не превышающий последние 500 миллионов лет (как исключение, в очень небольших масштабах встречаются породы возрастом до 1,5 миллиарда лет). Кроме того, отбор образцов, правильно отражающих историю формирования коры, в действительности является чрезвычайно трудной задачей, и поэтому способ прослеживания истории коры по данным о возрасте слагающих ее пород на самом деле малоэффективен.
До сих пор в этой главе обсуждалось, как в образовавшейся при однородной аккумуляции Земле формировалось ядро. Всю оставшуюся часть Земли после возникновения в ней ядра составляла мантия, хотя несколько отличающаяся от той, которая известна нам сегодня. Главное отличие заключается в том, что в сорременной Земле с внешней стороны от мантии расположена кора.
Как мы узнаем в следующей главе, выделение коры из мантии происходило постоянно на протяжении всего существования Земли. Непрерывно выделяя вещество земной коры, мантия тем самым также подвергалась преобразованию. По этой причине формирование коры и эволюции мантии необходимо рассматривать как одно целое, чего мы и будем придерживаться дальше.
Наиболее древние породы из известных в настоящее время на Земле имеют возраст 3,6—3,7 миллиарда лет. Они на 1 миллиард лет древнее габбровых пород Модипе, но породы такого возраста почти всегда являются метаморфическими. Для пород, подвергшихся метаморфизму, время возникновения намагниченности определить не так просто. Кроме того, остаточная намагниченность метаморфических пород часто является неустойчивой. Поэтому относительно метаморфических пород, имеющих остаточную намагниченность, было бы опрометчиво делать вывод, что во время их образования уже существовало геомагнитное поле.
С другой стороны, в древних метаморфических породах с возрастом 3,6—3,7 миллиарда лет имеется чрезвычайно устойчивая остаточная намагниченность. И в настоящее время, когда у нас нет достоверных свидетельств в пользу существования в то время геомагнитного поля и, следовательно, железо-никелевого ядра Земли, этот факт является достаточным, чтобы сделать такое предположение.
Подводя итоги, можно сказать следующее. Наличием тепловой остаточной намагниченности пород достоверно установлено, что 2,6 миллиарда лет назад уже существовало геомагнитное поле и ядро Земли, подобное современному. Более того, с несколько меньшей степенью уверенности существование ядра и магнитного поля Земли может быть отнесено ко времени 3,7 миллиарда лет назад. Наконец, некоторые теоретические расчеты указывают, что ядро Земли, видимо, образовалось вскоре после ее формирования (вероятно, спустя несколько сот миллионов лет).
Обычно, чтобы различить первичную и вторичную намагниченности, берут образец вулканической породы и, нагрев его (примерно до 600° С), пробуют навести в нем искусственную намагниченность от современного геомагнитного поля. Взяв затем два образца, с искусственно наведенной и с природной остаточной намагниченностями, проводят их размагничивание путем нагревания в изолированном от внешнего магнитного поля пространстве. Если размагничивание обоих образцов при нагревании происходит одинаковым образом, можно считать, что природная намагниченность пород является тепловой остаточной намагниченностью.
Сравнение искусственно созданной намагниченности с естественной (природной) тепловой остаточной намагниченностью пород дает информацию об интенсивности геомагнитного поля в момент образования этих пород. Ведь величина тепловой остаточной намагниченности пропорциональна интенсивности внешнего магнитного поля, в данном случае магнитного поля Земли. Следовательно, и отношение величин намагниченности, искусственно созданной под влиянием современного магнитного поля Земли и созданной в естественных условиях под влиянием поля той эпохи, когда образовалась данная порода, равно отношению интенсивностей магнитных полей.
Древнейшими из известных в настоящее время магматических пород, имеющих устойчивую тепловую остаточную намагниченность (относящуюся, несомненно, ко времени их образования), являются найденные в Африке габбровые породы комплекса Модипе, возраст которых составляет 2,6 миллиарда лет. Установлено, что интенсивность геомагнитного поля, существовавшего во время образования этих пород, была почти равной интенсивности современного поля. Таким образом, изучение намагниченности габбровых пород Модипе позволило заключить, что еще 2,6 миллиарда лет назад уже имелось геомагнитное поле, почти одинаковое с современным, и следовательно, у Земли существовало ядро, близкое по размерам и состоянию к современному.
Факт существования в прошлом геомагнитного поля устанавливается по сохранившейся остаточной намагниченности пород Земли. Вулканические породы, образующиеся при застывании магмы, излившейся иа земную поверхность, намагничиваются с той ориентацией, которую имело в этом месте геомагнитное поле. Это явление называется тепловой остаточной намагниченностью.
Тепловая остаточная намагниченность очень устойчива. Как экспериментально установлено, при обычных температурах она может сохраняться сотни миллионов лет, почти не уменьшаясь и не изменяя ориентации поля. Следовательно, если удастся установить в древних породах существование устойчивой тепловой остаточной намагниченности, можно будет сделать вывод, что в момент извержения этих вулканических пород уже существовало геомагнитное поле и у Земли имелось железо-никелевое ядро.
Остаточная намагниченность свойственна почти всем без исключения исследовавшимся образцам пород. Однако часто было довольно трудно определить, образовалась ли эта намагниченность под влиянием магнитного поля Земли, существовавшего при образовании породы, или она является вторичной, не связанной с застыванием магмы, из которой порода образовалась.
Теория геомагнетизма, прошедшая долгий путь развития с момента появления первой статьи Балларда до наших дней, пытается сейчас выяснить, какой конкретный характер имеют движения внутри жидкого ядра Земли, генерирующие геомагнитное поле. Вначале предполагалось, что ими могут быть лишь крупномасштабные движения, охватывающие все ядро в целом (точнее, всю его внешнюю часть, находящуюся в жидком состоянии). Однако со временем стало ясно, что только крупномасштабными движениями трудно объяснить стабильность геомагнитного поля в целом. В настоящее время предполагается, что поддерживающими геомагнитное поле являются мелкомасштабные и хаотические (или, как говорят, стохастические) движения в ядре. А энергетическим источником, приводящим в движение вещество ядра, может быть радиоактивный распад элементов, содержащихся в ядре.
Для генерации геомагнитного поля необходимо наличие у Земли жидкого железо-никелевого ядра, поскольку электропроводность иеметаллизированных расплавленных пород невелика. Следовательно, если бы для какого-нибудь момента в прошлом удалось достоверно установить факт существования геомагнитного поля, то можно было бы заключить, что в то время ядро Земли по составу было уже близко к современному.
Глубокая связь между магнитным полем Земли и движениями внутри жидкого ядра стала очевидной из наблюдений за изменениями (вариациями) земного магнитного поля. Вообще говоря, магнитное поле Земли считается в целом постоянным, но в геологических масштабах времени оно подвержено сильным вариациям. Наблюдения за геомагнитным полем начались всего лишь около 100 лет назад, но уже за этот период его интенсивность, снижаясь почти по линейному закону, уменьшилась на 6%. Если бы его интенсивность уменьшалась бы и дальше в таком же темпе, то менее чем за 2000 лет она стала бы равной нулю.
Кроме того, довольно сильным вариациям подвержена и ориентация магнитного поля Земли. Если бы геомагнитное поле было бы связано с твердыми породами земных недр, то чрезвычайно трудно было объяснить такую быструю изменчивость поля. Ведь не могут же в самом деле огромные массы пород перемещаться в темпе вариаций геомагнитного поля.
В настоящее время большинство исследователей считают, что земное ядро выделилось из почти однородной (макроскопически) Земли уже после ее формирования. Эта (пока еще!) гипотеза хорошо объясняет многие данные как сравнительной планетологии, так и наук о Земле. Хотя, конечно, на сегодняшний день нет решительных доказательств против предположения об образовании ядра одновременно с процессом аккумуляции.
Но в какой же момент вероятнее всего образовалось ядро Земли?
Оказывается, на этот-то вопрос можно дать сейчас довольно определенный ответ. И он связан с информацией о геомагнитном поле. Земля имеет магнитное поле, напряженность которого у ее поверхности составляет 0,5 гаусс. Это поле аналогично магнитному полю, создаваемому стержневым магнитом в центре Земли, наклоненным к ее оси вращения (такое поле называют дипольным).
Вопрос, почему возникло магнитное поле Земли, является одним из наиболее интригующих в геофизике. В попытке ответа на него было выдвинуто немало гипотез, и все они единодушны в том, что существование геомагнитного поля связано с движениями, возникающими в жидкой части ядра Земли. Этот механизм генерации магнитного поля в железо-никелевом расплаве (обладающим высокой электропроводностью) подобен, например, тому, который возникает в динамо-машиие при продолжительном пропускании через нее тока. Такая гипотеза была выдвинута в 1949 году Е. Баллардом из Кембриджа (Великобритания).
Таким образом, если рассматривать макроскопически, то аккумуляция была однородной (этот пункт особо выделяется современными теориями). Однако образовавшаяся в результате такой однородной аккумуляции планета в принципе отличается от того, что понималось прежде под однородной планетой. Дело в том, что на микроскопическом уровне (порядка одного миллиметра) никелистое железо и силикаты уже разделились. Поэтому отпали трудности с объяснением выделения огромных количеств кислорода при восстановлении железа из силикатов, а образование железо-никелевого ядра свелось к механическому процессу.
Помимо всего прочего, теория Хаяши предполагает, что первоначальная Земля должна была иметь первичную атмосферу из толстого слоя газа протосолнечной туманности. Однако современная атмосфера Земли может иметь вторичное происхождение, образовавшись газами, выделившимися из земных недр (об этом будет сказано далее). В теории же Хаяши эта мощная первичная атмосфера давлением несколько сот атмосфер имеет важное значение для последующей эволюции Земли.
Хотя последние исследования, касающиеся происхождения Земли и Солнечной системы, значительно, и это не будет преувеличением, расширили наши представления, многое здесь еще остается загадочным. Что же касается вопроса о том, образовалась ли Земля в процессе неоднородной или однородной аккумуляции, то даже на него, как мы знаем, ответить пока трудно. Между тем в зависимости от того, какую из этих двух теорий мы примем, выводы о ходе эволюции Земли будут очень сильно различаться.
Как бы то ни было, но правильной может быть только одна из теорий. И нам представляется, что такой теорией является та, согласно которой первоначальная Земля была макроскопически однородной, но вещество в ней микроскопически уже стало неоднородным. Этого мы и будем придерживаться дальше.