Земля, Марс, Венера: геологическое строение и история
Чтобы обсуждать происхождение и эволюцию Земли как планеты, стоит напомнить ее современное устройство. Я постараюсь сделать это кратко, а желающим подробностей рекомендую обратиться к замечательным книгам К. Еськова «История Земли и жизни на ней» и Дж. Д. Макдугалла «Краткая история планеты Земля».
В основе современного представления об устройстве Земли лежит теория тектоники плит. Согласно ей, земная кора, покрывающая мантию, состоит из отдельных плит, которые движутся относительно друг друга. Кора делится на два типа: материковая и океаническая. Они отличаются толщиной (материковая - в среднем 30 км, океаническая - 7-8 км), составом и историей. При столкновении плит они сминаются в складки, которые образуют горные системы.
Когда эта теория была впервые предложена Вегенером в 1912 году, она получила некоторое признание за то, что объясняла давно известное сходство береговых линий континентов по обе стороны Атлантики, общие ископаемые фауны и следы древнего оледенения на всех материках Южного полушария. Однако в те времена не удалось найти силу, которая бы двигала материки, и теорию Вегенера позабыли. Ее настоящее признание пришло в 1960-ые годы, когда было изучено дно океанов и обнаружены срединно-океанические хребты. Эти крупнейшие горные системы общей длиной около 70 000 километров (на суше нет ничего даже близко сопоставимого) проходят примерно по средним линиям Атлантического, Южного (окружающего Антарктиду) и Индийского океанов. В Тихом океане хребет сильно смещен к берегам Америки. Вдоль каждого хребта по его середине проходит узкое ущелье - рифт. В районе рифтов постоянно выделяется подземное тепло, вызывающее конвекцию океанской воды, бьют горячие источники и происходят мелкофокусные землятресяния. Когда удалось измерить (радиоизотопным методом и по ископаемым остаткам) возраст океанской коры, оказалось, что во всех океанах он меняется от практически современного у рифта до 100-200 млн лет у берегов. Ни в одном океане нет коры древнее 200 млн лет. Таким образом, океанская кора похожа на полотно, которое ткется в рифтовой зоне срединно-океанического хребта, расходится в стороны и ныряет в мантию под материки в глубоководных желобах.
Схема тектоники плит земной коры (из Википедии)
В наше время погружение океанской коры идет в основном под берегами Тихого океана, тогда как Атлантический и Индийский океаны расширяются. Скорости этих движений коры измеряются сантиметрами в год. Причиной движения плит являются течения в мантии. Источник энергии для этих течений - сила тяжести: дифференциация Земли на железное ядро и силикатную мантию еще не завершена. Железо продолжает тонуть, а силикаты - всплывать на поверхность. За счет этого в мантии происходят конвективные течения, как в кастрюле с супом на плите. В этой аналогии плиты земной коры подобны скоплениям пенки на поверхности супа.
Пенка в кастрюле скапливается там, где происходит опускание жидкости - около стенок. В мантии Земли над областями опускания скапливаются материки, а над зоной поднятия вырастают срединно-океанические хребты. В современном состоянии Земли наиболее активная зона поднятия почти полностью окружает цепочку из Антарктиды и обоих Америк. В другие эпохи все материки собирались в единую массу (Пангея, Мегагея, Родиния), опускание мантии происходило под серединой сверхматерика, поднятие - под серединой единого океана.
Взаимное положение материков в ордовике (сверху) и триасе (снизу). Источник - Palaeomaps
В то время, как океанская кора постоянно обновляется и ее возраст не превышает 200 млн лет, материковая кора накапливалась миллиарды лет. В составе современных материков есть крупные блоки возрастом до 3-3,5 млрд лет. Химический состав двух типов коры также различен: океанская кора сложена базальтами (затвердевшей лавой с 50-55% SiO2 и высоким содержанием оксидов магния и железа), а в континентальной коре преобладают граниты - тоже изверженные породы, но содержание SiO2 в них достигает 72%, а из металлов преобладает алюминий, натрий и кальций. Граниты менее плотны, чем базальты, благодаря чему континентальная кора плавает на поверхности жидкой базальтовой магмы и при столкновениях с океанской корой оказывается сверху.
Как такая система могла сформироваться при сборке Земли из планетарных зародышей? К сожалению, наши знания ограничены, потому что от первых полумиллиарда лет существования Земли осталось очень скудные прямые материальные следы. Перечислить их можно в одной фразе: древнейшие зерна циркона из Джек Хилл, Австралия, возрастом 4,4-4,1 млрд лет, древнейшие фрагменты континентальной коры из формации Акаста, Канада, возрастом 4,0 млрд лет и древнейшие осадочные породы из гренландской формации Исуа возрастом 3,8 млрд лет. В осадках Исуа уже имеются следы жизни: графитизированный углерод со смещенным изотопным составом (следы биохимической фиксации СО2 через цикл Кальвина) и полосчатые отложения железа (следы железного либо кислородного фотосинтеза). Более того, микровключения графита со смещенным изотопным составом обнаружены даже в цирконах Джек Хилл возраста 4,25 млрд лет (Nemchin и др, 2008, «Nature» 454(7200), doi: 10.1038/nature07102). То есть следы достаточно развитой бактериальной жизни в ископаемой летописи появляются одновременно с прямыми следами жидкой воды (без которой осадочные породы образуются крайне редко), а намеки на жизнь - даже раньше. Понятно, что документировать историю планеты и зарождения жизни на ней по таким скудным следам мы не можем.
Древнейшую историю Земли мы знаем в чем-то хуже, чем древнейшую историю Солнечной системы, от которой остались следы в виде метеоритов и астероидов. Причина такой плохой сохранности истории Земли - в ее геологической активности. Конечно, минералы и горные породы были на Земле почти с самого начала ее существования, но они постоянно подвергались переплавлению в магме и выветриванию. Поэтому, чтобы лучше понять древнейшую Землю, надо лететь на Марс, где сохранились горные породы тех времен.
Кое-что мы можем узнать о первых днях Земли по косвенным признакам. Например, многое можно узнать из соотношений изотопов разных элементов. Изотопы - это разновидности атомных ядер одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов. Они отличаются массой атома, но химические свойства изотопов почти неразличимы. Как это можно использовать?
Во-первых, некоторые изотопы подвержены радиоактивному распаду и их количество убывает со временем. Количество продуктов такого распада, соответственно, растет. Мы уже пользовались этим при оценках возраста разных метеоритов и их составных частей: в древней Солнечной системе было много радиоактивного изотопа алюминия 26Al (алюминий вокруг нас сейчас представлен только одним стабильным изотопом 27Al). 26Al превращается в стабильный изотоп магния 26Mg, период полураспада составляет 730 тысяч лет. Когда из пыли протопланетного диска собираются планетезимали, они получают те соотношения изотопов алюминия и магния, которое есть вокруг на данный момент. Когда обломки планетезималей в виде метеоритов попадают в руки ученых, весь 26Al в них уже превратился в 26Mg. Поэтому соотношение 26Mg/24Mg в метеорите будет выше, чем «фоновое» (в минералах без алюминия). Избыток зависит как от времени образования метеорита (чем раньше, тем больше), так и от соотношения всего алюминия ко всему магнию в метеорите (чем больше алюминия, тем больше избыток 26Mg при равном возрасте). Второе мы легко можем узнать по количеству стабильного 27Al в том же метеорите и расчитать возраст. Благодаря малому периоду полураспада 26Al мы можем измерить различия возраста менее чем на пол-миллиона лет.
Если нестабильный изотоп и продукт его распада сильно отличаются по своему геологическому поведению, то это позволяет датировать геологические события. Например, два соседних в таблице Менделеева тяжелых металла - гафний и вольфрам - по-разному разделяются между мантией и ядром планеты. Вольфрам уходит в железное ядро, а гафний предпочитает силикатную мантию. У гафния есть нестабильный изотоп 182Hf, который превращается в вольфрам 182W с периодом полураспада 9 миллионов лет. Поэтому в тех телах, которые расплавились и разделились на мантию и ядро в самом начале, в мантии будет заметная примесь вольфрама, причем только изотопа 182W. Мы можем ожидать этого, например, в случае карликовой планеты Веста, которая дифференцировалась в первые 3-5 миллионов лет и с тех пор избежала крупных столкновений. Мантии Луны и Земли имеют одинаковый и очень небольшой избыток 182W, который согласуется со временем дифференциации их обоих примерно через 60-80 млн лет после образования Солнечной системы.
В некоторых ситуациях различие в массе изотопов одного элемента приводит к разнице в их геологической судьбе. Например, испарение воды зависит от скорости теплового движения составляющих ее молекул, которая в свою очередь определяется температурой и молекулярной массой. Поэтому дождевая вода содержит меньше дейтерия (тяжелого водорода) и тяжелых изотопов кислорода (17О, 18О), чем океаны.
Другой важный случай, когда небольшое различие массы изотопов приводит к важным эффектам - это биохимия. Многие биохимические пути организованы как серия последовательных реакций, катализируемых разными ферментами. Молекула, содержащая тяжелые изотопы, будет медленнее перемещаться от одного фермента к другому. Поэтому живое вещество обеднено тяжелым изотопом углерода 13C по сравнению с атмосферным СО2, и это важнейший признак, который выдает биологическое происхождение углерода в отложених Исуа, несмотря на все, что эти осадки претерпели за миллиарды лет.
Цирконы Джек Хилл являются древнейшими известными твердыми телами Земли. Цирконы обычно кристаллизуется в магме гранитного состава и, следовательно, указывают на образование континентальной коры. Зерна циркона тугоплавки, высоко устойчивы к выветриванию и метаморфозу, поэтому неудивительно, что только они сохранились с древнейших времен. Цирконы содержат примесь урана, поэтому их можно точно датировать уран-свинцовым методом. Зерна циркона в Джек Хилл встречются в виде миллиметровых включений в более молодые кварциты. Возраст самих зерен находится в интервале от 4,4 до 4,1 млрд лет. По соотношениям изотопов кислорода похоже, что исходный материал, вошедший в состав родительской магмы этих кристаллов, взаимодействовал с жидкой водой при умеренной температуре (до 100 градусов). Это еще одно свидетельство в пользу существования океанов 4,4 млрд лет назад.
Марс, в отличе от Земли, сохранил большие блоки планетарной коры со времен до поздней метеоритной бомбардировки. На карте Марса четко выделяются два полушария - возвышенное южное, густо покрытое метеоритными кратерами, и низкое, гладкое северное. Перепад высот между ними составляет 4-6 км. По плотности кратеров очевидно, что поверхность южного полушария древнее 3,9 млрд лет, так как сохранила следы поздней тяжелой бомбардировки, а северное моложе этой отметки. Крупнейший из кратеров, дно которого получило название равнины Эллады, находится в высоких широтах южного полушария и достигает 1800 км в диаметре. Это самая низкая область поверхности Марса, на 8 км ниже среднего уровня. Измерения при помощи лазерного альтиметра зонда Mars Global Surveyor позволили найти едва различимые, вероятно, засыпанные осадками, крупные кратеры в северном полушарии. Крупнейший из них, равнина Утопия, практически равен по размеру равнине Эллады. С учетом этих кратеров получается, что кора северного полушария ненамного моложе южной.
Топографическая карта Марса (источник - http://www.csulb.edu/~rodrigue/mars/ ; версия в максимальном разрешении без подписей есть на сайте НАСА http://mola.gsfc.nasa.gov/images.html)
Другие заметные детали рельефа Марса - две области гигантских вулканов, Фарсида (Tharsis в англоязычной литературе) и Элизиум. Плато Тарсис возвышается в районе экватора на 7-10 км выше среднего уровня поверхности Марса. Крупнейший из пяти вулканов этой области, Олимп - самый большой вулкан во всей Солнечной системе, высотой 22 км от подножия до вершины и диаметром основания около 600 км. Его склоны сложены застывшей лавой многих тысяч извержений. Возраст лежащих на поверхности лавовых потоков, измеренный по плотности кратеров, лежит в пределах от 115 до всего 2 млн лет. Плато Элизиум лежит западнее, окружено низинами и три его вулкана меньше, чем вулканы Фарсиды. На склонах вулканов обнаружены провалы, ведущие в пещеры. Крупнейшие из провалов достигают 100 м в глубину и 250 м в ширину. Скорее всего, пещеры являются «лавовыми трубками», образованными при движении газов при застывании лавы.
Вход в пещеру на склоне вулкана Арсия
Долины Маринера - система огромных каньонов, протянувшаяся на 4000 км на восток от плато Фарсида вдоль экватора. По происхождению это трещины растяжения коры, подобно Байкальскому и Восточно-Африканскому рифтам на Земле. Глубина долин Маринера достигает 10 км, ширина - до 300 км.
Полюса Марса покрыты полярными шапками. Летом шапки состоят из водяного льда с песком и пылью, зимой на них намерзает большое количество углекислоты из атмосферы. Весной возгонка углекислого газа из шапок может происходить в форме газо-пылевых гейзеров.
Возраст участков коры Марса оценивают по плотности кратеров. Геохронологическая шкала Марса делится на три периода: Нойский, Гесперидский и Амазонский.
Нойский период охватывает время с 4,1 до 3,7 млрд лет назад, на это время приходится познняя метеоритная бомбардировка. В это время образовались равнина Эллада, плато Фарсида и долины Маринера.
Гесперидский период продолжался с 3,7 до примерно 3,0 млрд лет назад и на это время пришлись эпизоды активного вулканизма и мощных кратковременных потоков воды, прорезавших каньоны по краям равнины Хризе и в других местах. В этот период начался рост вулкана Олимп.
Амазонский период, примерно с 3 млрд лет назад и до современного периода, был временем затухания геологической активности и исчезновения жидкой воды с поверхности Марса. Основными геологическими явлением этого периода является ветровая эрозия, перемещение пыли и ледниковые процессы. Граница между Гесперидским и Амазонским периодами достаточно приблизительна и некоторые ученые сдвигают ее до 2,5 - 2 млрд лет назад.
Геохронологическая шкала Марса
На первом первый взгляд похоже, что северное полушарие аналогично земному океану, а южное - материку. Однако, кора Марса значительно толще, чем земная - около 25-30 км под северным полушарием и до 50 км под южным. Ничего похожего на серединно-океанические хребты на Марсе не видно, и сейчас активной тектоники плит там быть не может. Земные материки сложены в основном гранитами, тогда как на поверхности обоих полушарий Марса обнаруживаются в основном базальты, подобно Луне и Венере. Признаки гранитоподобных пород на Марсе обнаружены лишь в отдельных местах - в центральных холмиках двух метеоритных кратеров на склонах низкого щитового вулкана Большой Сырт, в одной из двух кальдер этого вулкана, на склоне долины в земле Ксанте к северу от долин Маринера, и больше всего - на земле Ноя к западу от равнины Эллады, где выходы гранитов занимают сотни квадратных километров на дне многих больших кратеров. (Wray и др, 2013. «Nature Geoscience» 6(12), doi: 10.1038/ngeo1994). Марсоход Curiosity обнаружил в кратере Гейла крупнозернистый песок из полевого шпата - возможный продукт выветривания гранита.
Считается, что граниты Земли образовались в ходе многократного частичного плавления и застывания базальтовой лавы в присутствии воды, когда более легкая и легкоплавкая алюминий-силикатная фракция постепенно концентрировалась и выдавливалась наверх. Наибольшую роль в образовании гранитов на Земле играют зоны субдукции, где одна плита коры погружается под другую. Видимо, на Марсе не было достаточно активной тектоники плит для многократной переплавки коры и выделения гранитов, но какие-то количества гранитов образовались при расслоении очень медленно остывающей лавы в крупных вулканах.
Все находки гранитов показывают, что марсианские граниты покрыты сверху другими породами, и граниты удается найти лишь там, где они вскрыты водной эрозией (на земле Ксанте) или ударами метеоритов (в остальных местах). Так что общее количество гранитов на Марсе может быть гораздо больше, чем то, что доступно непосредственному наблюдению.
Ближайшим земным аналогом гигантских вулканов Фарсиды и Элизиума являются щитовые вулканы Гавайских островов. Крупнейший из них, Мауна Кеа, достигает 10 км в высоту (от подножия на океанском дне до вершины). Большинство вулканов Земли приурочены к границам литосферных плит и питаются продуктами расплавления погружающейся плиты, но Гавайи находятся посреди Тихоокеанской плиты и питаются из глубинного магматического очага. Движение плиты относительно мантии приводит к образованию цепочки вулканов, образующей дугу островов в океане, что и наблюдается на Гавайях. На Марсе подобных вулканических цепей нет, за исключением трех вулканов плато Фарсида - Арсия, Павонис и Аскреус. Судя по окружающим Фарсиду трещинам и разломам, больщая часть этого вулканического плато появилась уже 3,7 млрд лет назад, а последнее извержение Олимпа было 2 млн лет назад, практически в современную эпоху. Следовательно, за это время кора Марса не сдвинулась сколько-нибудь заметно относительно относительно мантийного очага, что и позволило вулканам за миллиарды лет вырасти до невероятных на Земле размеров.
Карта магнитных аномалий Марса
Важные результаты принесло изучение магнитных аномалий Марса зондом Mars Global Surveyor (Connerney и др, 2005. «PNAS» 102(42), doi: 10.1073/pnas.0507469102). Локальная намагниченность участков коры достаточно велика, чтобы ее можно было измерить с орбиты высотой 200 км, благодаря чему мы имеем глобальную карту магнитных аномалий Марса. Интенсивность этих аномалий показывает, что в древности Марс имел магнитное поле, сравнимое с современным земным или даже более мощное, и так же подверженное периодической смене полярности.
Разная намагниченность отдельных участков коры объясняется тем, что богатые железом базальтовые лавы при застывании «запоминают» внешнее магнитное поле. На Земле таким образом образуются полосовые магнитные аномалии океанского дна. Магнитное поле Земли периодически (раз в несколько сотен тысяч или миллионов лет) меняет полярность, поэтому по мере роста океанской коры по бокам от срединно-океанического хребта образуются полосы дна, намагниченного в противоположенные стороны. На Марсе точных аналогов таких полосовых аномалий найдено пока не было. Однако, более крупные полосовые аномалии в некоторых районах (например, Земля Меридиана) выглядят разорванными и сдвинутыми, что является признаком так называемых трансформных разломов, где плиты коры сдвигаются по горизонтали относительно друг друга. Трансформный разлом в районе Земли Меридиана, рифтовые долины Маринера и трио вулканов Фарсиды согласуются с гипотезой о движении плиты, включающей в себя плато Фарсида, на северо-восток. В этом случае один мантийный очаг породил вулканы Аскреус, Павонис и Арсия, а другой, возможно - Альба и Олимп.
Также по магнитным аномалиям восстанавливается история магнитных полюсов Марса (Milbury и др, 2012. «Journal of Geophysical Research» 117(E10), doi: 10.1029/2012JE004099). В этой работе использовались аномалии, связанные с застывшими потоками лавы древних вулканов, проявляющие себя не только в магнитном поле, но и как гравитационные аномалии - участки коры повышенной плотности. Намагниченность лавы, застывшей в нойскую эпоху (до 3,8 млрд лет назад), указывает на расположение магнитных полюсов в низких широтах, не выше 60 градусов широты, большей частью в районе плато Фарсида и противоположенном районе планеты - равнине Эллада. Намагниченные лавы раннегесперидского возраста (3,8-3,6 млрд лет) встречаются значительно реже, намагниченность их слабее, а ее направление указывает на магнитные полюса, близкие к современным географическим. Намагниченные лавы моложе 3,5 млрд лет при измерениях с орбиты не обнаружены вовсе.
Реконструированное положение магнитных полюсов Марса в период 4,2-3,5 млрд. лет назад. Каждая звездочка указывает положение северного магнитного полюса, определенное по намагниченности одного потока лавы (Milbury и др, 2012).
По всем моделям генерации магнитного поля в планетах земного типа, магнитные полюса не могут далеко отстоять от географических. Следовательно, на границе нойского и гесперидского периодов Марс мог испытать смену оси вращения. В предыдущих частях мы рассматривали прецессию - изменение положения оси вращения отностительно внешних тел, при котором положение оси вращения относительно ориентиров на самой планете не меняется. Здесь же ось вращения сдвинулась относительно ориентиров на самом Марсе, так что плато Фарсида, бывшее вблизи полюса, оказалось на экваторе. Одной из причин такого смещения могли быть удары крупных астероидов в период поздней тяжелой бомбардировки, породившие так же равнины Эллада и Утопия. Другой возможной причиной мог стать рост плато Фарсида - его обширная площадь, большое возвышение над остальной поверхностью планеты, и высокое содержание плотных базальтов заметно влияют на распределение массы планеты и распределение момента инерции по осям.
Третья планета земной группы, Венера, изучена гораздо хуже, чем Марс. Плотная атмосфера с густыми облаками скрывает поверхность от наблюдений во всех диапазонах, кроме радиоволн, а высокая температура (около 450 градусов) и давление на поверхности очень ограничивают возможности приборов спускаемых аппаратов. До сих пор ни один зонд не проработал на поверхности Венеры более двух часов.
Почти все, что известно о рельефе Венеры, мы знаем из радарных измерений зондов Венера-15, Венера-16 и Магеллан. Венера по размерам близка к Земле, но ее рельеф и геология сильно отличаются от земных. Перепад высот на поверхности Венеры составляет всего 13 км (на Земле - 20 км от вершины Эвереста до Марианской впадины, на Марсе более 30 км). Большая часть поверхности по высоте находится в пределах плюс-минус один километр от среднего уровня, то есть на Венере нет ничего похожего на перепад между материками и океанами Земли или северным и южным полушариями Марса.
Топографическая карта Венеры
Три высочайших горных системы Венеры - хребты Максвелла, Акна и Фрейи, находятся в северном полушарии вокруг равнины Лакшми. Их высота составляет до 7 (хребты Акна и Фрейи) и даже до 11 км (горы Максвелла). На вершинах гор лежат отложения каких-то хорошо отражающих радиоволны веществ, подобно белому снегу на вершинах гор Земли. «Снег» на Венере лежит при температуре около 350 градусов и предположительно состоит из сульфидов свинца и висмута. Поверхность Венеры густо покрыта низкими щитовыми вулканами. Крупнейшие из них по диаметру основания сравнимы с Олимпом на Марсе, но в высоту не превышают 3 километров. Количество мелких вулканов диаметром 10-20 км измеряется сотнями тысяч. Вулканы и лавовые равнины занимают до 80% поверхности Венеры.
Хотя на Венере нет глобальной тектоники плит, в ее рельефе отражены частые местные тектонические явления. Благодаря им возникли горные хребты, многочисленные одиночные разломы и складки, а так же тессеры - сложноскладчатые участки рельефа, которые были смяты в разное время в нескольких разных направлениях
Метеоритные кратеры встречаются реже, чем на Луне и Марсе, кратеров диаметром менее 30 километров практически нет, потому что мелкие метеориты сгорают в атмосфере. Плотность кратеров равномерна по всей планете. Возраст поверхности, вычисляемый по плотности кратеров, составляет по разным оценкам 300-600 млн лет, причем возраст всех участков коры практически одинаков. Это резко отличает Венеру от Земли, где несмотря на геологическую активность, сохранились крупные блоки коры возрастом 2-3 млрд лет.
Важной особенностью Венеры является отсутствие магнитного поля. Для генерации магнитного поля планетой нужны три условия: электропроводящая жидкость внутри планеты, конвективные движения в ней и вращение планеты. В планетах земной группы электропроводящей жидкостью является железное ядро, которое у Венеры явно есть и сопоставимо в размерах с ядром Земли. Вращение Венеры медленное, но его достаточно для генерации слабого магнитного поля, на уровне современного Марса (1% от земного). Следовательно, в ядре Венеры отсутствует конвекция. Так как радиоактивный распад неизбежно выделяет тепло в ядре и мантии, без конвекции их температура должна расти. По-видимому, рост температуры продолжается до тех пор, пока горячая магма не проплавляет кору сразу во многих местах, и тогда по всей Венере начинаются извержения множества вулканов, заливающие лавой больщую часть поверхности планеты. Таким образом мантия остывает и вулканизм замирает еше на сотни миллионов лет.
В основе современного представления об устройстве Земли лежит теория тектоники плит. Согласно ей, земная кора, покрывающая мантию, состоит из отдельных плит, которые движутся относительно друг друга. Кора делится на два типа: материковая и океаническая. Они отличаются толщиной (материковая - в среднем 30 км, океаническая - 7-8 км), составом и историей. При столкновении плит они сминаются в складки, которые образуют горные системы.
Когда эта теория была впервые предложена Вегенером в 1912 году, она получила некоторое признание за то, что объясняла давно известное сходство береговых линий континентов по обе стороны Атлантики, общие ископаемые фауны и следы древнего оледенения на всех материках Южного полушария. Однако в те времена не удалось найти силу, которая бы двигала материки, и теорию Вегенера позабыли. Ее настоящее признание пришло в 1960-ые годы, когда было изучено дно океанов и обнаружены срединно-океанические хребты. Эти крупнейшие горные системы общей длиной около 70 000 километров (на суше нет ничего даже близко сопоставимого) проходят примерно по средним линиям Атлантического, Южного (окружающего Антарктиду) и Индийского океанов. В Тихом океане хребет сильно смещен к берегам Америки. Вдоль каждого хребта по его середине проходит узкое ущелье - рифт. В районе рифтов постоянно выделяется подземное тепло, вызывающее конвекцию океанской воды, бьют горячие источники и происходят мелкофокусные землятресяния. Когда удалось измерить (радиоизотопным методом и по ископаемым остаткам) возраст океанской коры, оказалось, что во всех океанах он меняется от практически современного у рифта до 100-200 млн лет у берегов. Ни в одном океане нет коры древнее 200 млн лет. Таким образом, океанская кора похожа на полотно, которое ткется в рифтовой зоне срединно-океанического хребта, расходится в стороны и ныряет в мантию под материки в глубоководных желобах.
Схема тектоники плит земной коры (из Википедии)
В наше время погружение океанской коры идет в основном под берегами Тихого океана, тогда как Атлантический и Индийский океаны расширяются. Скорости этих движений коры измеряются сантиметрами в год. Причиной движения плит являются течения в мантии. Источник энергии для этих течений - сила тяжести: дифференциация Земли на железное ядро и силикатную мантию еще не завершена. Железо продолжает тонуть, а силикаты - всплывать на поверхность. За счет этого в мантии происходят конвективные течения, как в кастрюле с супом на плите. В этой аналогии плиты земной коры подобны скоплениям пенки на поверхности супа.
Пенка в кастрюле скапливается там, где происходит опускание жидкости - около стенок. В мантии Земли над областями опускания скапливаются материки, а над зоной поднятия вырастают срединно-океанические хребты. В современном состоянии Земли наиболее активная зона поднятия почти полностью окружает цепочку из Антарктиды и обоих Америк. В другие эпохи все материки собирались в единую массу (Пангея, Мегагея, Родиния), опускание мантии происходило под серединой сверхматерика, поднятие - под серединой единого океана.
Взаимное положение материков в ордовике (сверху) и триасе (снизу). Источник - Palaeomaps
В то время, как океанская кора постоянно обновляется и ее возраст не превышает 200 млн лет, материковая кора накапливалась миллиарды лет. В составе современных материков есть крупные блоки возрастом до 3-3,5 млрд лет. Химический состав двух типов коры также различен: океанская кора сложена базальтами (затвердевшей лавой с 50-55% SiO2 и высоким содержанием оксидов магния и железа), а в континентальной коре преобладают граниты - тоже изверженные породы, но содержание SiO2 в них достигает 72%, а из металлов преобладает алюминий, натрий и кальций. Граниты менее плотны, чем базальты, благодаря чему континентальная кора плавает на поверхности жидкой базальтовой магмы и при столкновениях с океанской корой оказывается сверху.
Как такая система могла сформироваться при сборке Земли из планетарных зародышей? К сожалению, наши знания ограничены, потому что от первых полумиллиарда лет существования Земли осталось очень скудные прямые материальные следы. Перечислить их можно в одной фразе: древнейшие зерна циркона из Джек Хилл, Австралия, возрастом 4,4-4,1 млрд лет, древнейшие фрагменты континентальной коры из формации Акаста, Канада, возрастом 4,0 млрд лет и древнейшие осадочные породы из гренландской формации Исуа возрастом 3,8 млрд лет. В осадках Исуа уже имеются следы жизни: графитизированный углерод со смещенным изотопным составом (следы биохимической фиксации СО2 через цикл Кальвина) и полосчатые отложения железа (следы железного либо кислородного фотосинтеза). Более того, микровключения графита со смещенным изотопным составом обнаружены даже в цирконах Джек Хилл возраста 4,25 млрд лет (Nemchin и др, 2008, «Nature» 454(7200), doi: 10.1038/nature07102). То есть следы достаточно развитой бактериальной жизни в ископаемой летописи появляются одновременно с прямыми следами жидкой воды (без которой осадочные породы образуются крайне редко), а намеки на жизнь - даже раньше. Понятно, что документировать историю планеты и зарождения жизни на ней по таким скудным следам мы не можем.
Древнейшую историю Земли мы знаем в чем-то хуже, чем древнейшую историю Солнечной системы, от которой остались следы в виде метеоритов и астероидов. Причина такой плохой сохранности истории Земли - в ее геологической активности. Конечно, минералы и горные породы были на Земле почти с самого начала ее существования, но они постоянно подвергались переплавлению в магме и выветриванию. Поэтому, чтобы лучше понять древнейшую Землю, надо лететь на Марс, где сохранились горные породы тех времен.
Кое-что мы можем узнать о первых днях Земли по косвенным признакам. Например, многое можно узнать из соотношений изотопов разных элементов. Изотопы - это разновидности атомных ядер одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов. Они отличаются массой атома, но химические свойства изотопов почти неразличимы. Как это можно использовать?
Во-первых, некоторые изотопы подвержены радиоактивному распаду и их количество убывает со временем. Количество продуктов такого распада, соответственно, растет. Мы уже пользовались этим при оценках возраста разных метеоритов и их составных частей: в древней Солнечной системе было много радиоактивного изотопа алюминия 26Al (алюминий вокруг нас сейчас представлен только одним стабильным изотопом 27Al). 26Al превращается в стабильный изотоп магния 26Mg, период полураспада составляет 730 тысяч лет. Когда из пыли протопланетного диска собираются планетезимали, они получают те соотношения изотопов алюминия и магния, которое есть вокруг на данный момент. Когда обломки планетезималей в виде метеоритов попадают в руки ученых, весь 26Al в них уже превратился в 26Mg. Поэтому соотношение 26Mg/24Mg в метеорите будет выше, чем «фоновое» (в минералах без алюминия). Избыток зависит как от времени образования метеорита (чем раньше, тем больше), так и от соотношения всего алюминия ко всему магнию в метеорите (чем больше алюминия, тем больше избыток 26Mg при равном возрасте). Второе мы легко можем узнать по количеству стабильного 27Al в том же метеорите и расчитать возраст. Благодаря малому периоду полураспада 26Al мы можем измерить различия возраста менее чем на пол-миллиона лет.
Если нестабильный изотоп и продукт его распада сильно отличаются по своему геологическому поведению, то это позволяет датировать геологические события. Например, два соседних в таблице Менделеева тяжелых металла - гафний и вольфрам - по-разному разделяются между мантией и ядром планеты. Вольфрам уходит в железное ядро, а гафний предпочитает силикатную мантию. У гафния есть нестабильный изотоп 182Hf, который превращается в вольфрам 182W с периодом полураспада 9 миллионов лет. Поэтому в тех телах, которые расплавились и разделились на мантию и ядро в самом начале, в мантии будет заметная примесь вольфрама, причем только изотопа 182W. Мы можем ожидать этого, например, в случае карликовой планеты Веста, которая дифференцировалась в первые 3-5 миллионов лет и с тех пор избежала крупных столкновений. Мантии Луны и Земли имеют одинаковый и очень небольшой избыток 182W, который согласуется со временем дифференциации их обоих примерно через 60-80 млн лет после образования Солнечной системы.
В некоторых ситуациях различие в массе изотопов одного элемента приводит к разнице в их геологической судьбе. Например, испарение воды зависит от скорости теплового движения составляющих ее молекул, которая в свою очередь определяется температурой и молекулярной массой. Поэтому дождевая вода содержит меньше дейтерия (тяжелого водорода) и тяжелых изотопов кислорода (17О, 18О), чем океаны.
Другой важный случай, когда небольшое различие массы изотопов приводит к важным эффектам - это биохимия. Многие биохимические пути организованы как серия последовательных реакций, катализируемых разными ферментами. Молекула, содержащая тяжелые изотопы, будет медленнее перемещаться от одного фермента к другому. Поэтому живое вещество обеднено тяжелым изотопом углерода 13C по сравнению с атмосферным СО2, и это важнейший признак, который выдает биологическое происхождение углерода в отложених Исуа, несмотря на все, что эти осадки претерпели за миллиарды лет.
Цирконы Джек Хилл являются древнейшими известными твердыми телами Земли. Цирконы обычно кристаллизуется в магме гранитного состава и, следовательно, указывают на образование континентальной коры. Зерна циркона тугоплавки, высоко устойчивы к выветриванию и метаморфозу, поэтому неудивительно, что только они сохранились с древнейших времен. Цирконы содержат примесь урана, поэтому их можно точно датировать уран-свинцовым методом. Зерна циркона в Джек Хилл встречются в виде миллиметровых включений в более молодые кварциты. Возраст самих зерен находится в интервале от 4,4 до 4,1 млрд лет. По соотношениям изотопов кислорода похоже, что исходный материал, вошедший в состав родительской магмы этих кристаллов, взаимодействовал с жидкой водой при умеренной температуре (до 100 градусов). Это еще одно свидетельство в пользу существования океанов 4,4 млрд лет назад.
Марс, в отличе от Земли, сохранил большие блоки планетарной коры со времен до поздней метеоритной бомбардировки. На карте Марса четко выделяются два полушария - возвышенное южное, густо покрытое метеоритными кратерами, и низкое, гладкое северное. Перепад высот между ними составляет 4-6 км. По плотности кратеров очевидно, что поверхность южного полушария древнее 3,9 млрд лет, так как сохранила следы поздней тяжелой бомбардировки, а северное моложе этой отметки. Крупнейший из кратеров, дно которого получило название равнины Эллады, находится в высоких широтах южного полушария и достигает 1800 км в диаметре. Это самая низкая область поверхности Марса, на 8 км ниже среднего уровня. Измерения при помощи лазерного альтиметра зонда Mars Global Surveyor позволили найти едва различимые, вероятно, засыпанные осадками, крупные кратеры в северном полушарии. Крупнейший из них, равнина Утопия, практически равен по размеру равнине Эллады. С учетом этих кратеров получается, что кора северного полушария ненамного моложе южной.
Топографическая карта Марса (источник - http://www.csulb.edu/~rodrigue/mars/ ; версия в максимальном разрешении без подписей есть на сайте НАСА http://mola.gsfc.nasa.gov/images.html)
Другие заметные детали рельефа Марса - две области гигантских вулканов, Фарсида (Tharsis в англоязычной литературе) и Элизиум. Плато Тарсис возвышается в районе экватора на 7-10 км выше среднего уровня поверхности Марса. Крупнейший из пяти вулканов этой области, Олимп - самый большой вулкан во всей Солнечной системе, высотой 22 км от подножия до вершины и диаметром основания около 600 км. Его склоны сложены застывшей лавой многих тысяч извержений. Возраст лежащих на поверхности лавовых потоков, измеренный по плотности кратеров, лежит в пределах от 115 до всего 2 млн лет. Плато Элизиум лежит западнее, окружено низинами и три его вулкана меньше, чем вулканы Фарсиды. На склонах вулканов обнаружены провалы, ведущие в пещеры. Крупнейшие из провалов достигают 100 м в глубину и 250 м в ширину. Скорее всего, пещеры являются «лавовыми трубками», образованными при движении газов при застывании лавы.
Вход в пещеру на склоне вулкана Арсия
Долины Маринера - система огромных каньонов, протянувшаяся на 4000 км на восток от плато Фарсида вдоль экватора. По происхождению это трещины растяжения коры, подобно Байкальскому и Восточно-Африканскому рифтам на Земле. Глубина долин Маринера достигает 10 км, ширина - до 300 км.
Полюса Марса покрыты полярными шапками. Летом шапки состоят из водяного льда с песком и пылью, зимой на них намерзает большое количество углекислоты из атмосферы. Весной возгонка углекислого газа из шапок может происходить в форме газо-пылевых гейзеров.
Возраст участков коры Марса оценивают по плотности кратеров. Геохронологическая шкала Марса делится на три периода: Нойский, Гесперидский и Амазонский.
Нойский период охватывает время с 4,1 до 3,7 млрд лет назад, на это время приходится познняя метеоритная бомбардировка. В это время образовались равнина Эллада, плато Фарсида и долины Маринера.
Гесперидский период продолжался с 3,7 до примерно 3,0 млрд лет назад и на это время пришлись эпизоды активного вулканизма и мощных кратковременных потоков воды, прорезавших каньоны по краям равнины Хризе и в других местах. В этот период начался рост вулкана Олимп.
Амазонский период, примерно с 3 млрд лет назад и до современного периода, был временем затухания геологической активности и исчезновения жидкой воды с поверхности Марса. Основными геологическими явлением этого периода является ветровая эрозия, перемещение пыли и ледниковые процессы. Граница между Гесперидским и Амазонским периодами достаточно приблизительна и некоторые ученые сдвигают ее до 2,5 - 2 млрд лет назад.
Геохронологическая шкала Марса
На первом первый взгляд похоже, что северное полушарие аналогично земному океану, а южное - материку. Однако, кора Марса значительно толще, чем земная - около 25-30 км под северным полушарием и до 50 км под южным. Ничего похожего на серединно-океанические хребты на Марсе не видно, и сейчас активной тектоники плит там быть не может. Земные материки сложены в основном гранитами, тогда как на поверхности обоих полушарий Марса обнаруживаются в основном базальты, подобно Луне и Венере. Признаки гранитоподобных пород на Марсе обнаружены лишь в отдельных местах - в центральных холмиках двух метеоритных кратеров на склонах низкого щитового вулкана Большой Сырт, в одной из двух кальдер этого вулкана, на склоне долины в земле Ксанте к северу от долин Маринера, и больше всего - на земле Ноя к западу от равнины Эллады, где выходы гранитов занимают сотни квадратных километров на дне многих больших кратеров. (Wray и др, 2013. «Nature Geoscience» 6(12), doi: 10.1038/ngeo1994). Марсоход Curiosity обнаружил в кратере Гейла крупнозернистый песок из полевого шпата - возможный продукт выветривания гранита.
Считается, что граниты Земли образовались в ходе многократного частичного плавления и застывания базальтовой лавы в присутствии воды, когда более легкая и легкоплавкая алюминий-силикатная фракция постепенно концентрировалась и выдавливалась наверх. Наибольшую роль в образовании гранитов на Земле играют зоны субдукции, где одна плита коры погружается под другую. Видимо, на Марсе не было достаточно активной тектоники плит для многократной переплавки коры и выделения гранитов, но какие-то количества гранитов образовались при расслоении очень медленно остывающей лавы в крупных вулканах.
Все находки гранитов показывают, что марсианские граниты покрыты сверху другими породами, и граниты удается найти лишь там, где они вскрыты водной эрозией (на земле Ксанте) или ударами метеоритов (в остальных местах). Так что общее количество гранитов на Марсе может быть гораздо больше, чем то, что доступно непосредственному наблюдению.
Ближайшим земным аналогом гигантских вулканов Фарсиды и Элизиума являются щитовые вулканы Гавайских островов. Крупнейший из них, Мауна Кеа, достигает 10 км в высоту (от подножия на океанском дне до вершины). Большинство вулканов Земли приурочены к границам литосферных плит и питаются продуктами расплавления погружающейся плиты, но Гавайи находятся посреди Тихоокеанской плиты и питаются из глубинного магматического очага. Движение плиты относительно мантии приводит к образованию цепочки вулканов, образующей дугу островов в океане, что и наблюдается на Гавайях. На Марсе подобных вулканических цепей нет, за исключением трех вулканов плато Фарсида - Арсия, Павонис и Аскреус. Судя по окружающим Фарсиду трещинам и разломам, больщая часть этого вулканического плато появилась уже 3,7 млрд лет назад, а последнее извержение Олимпа было 2 млн лет назад, практически в современную эпоху. Следовательно, за это время кора Марса не сдвинулась сколько-нибудь заметно относительно относительно мантийного очага, что и позволило вулканам за миллиарды лет вырасти до невероятных на Земле размеров.
Карта магнитных аномалий Марса
Важные результаты принесло изучение магнитных аномалий Марса зондом Mars Global Surveyor (Connerney и др, 2005. «PNAS» 102(42), doi: 10.1073/pnas.0507469102). Локальная намагниченность участков коры достаточно велика, чтобы ее можно было измерить с орбиты высотой 200 км, благодаря чему мы имеем глобальную карту магнитных аномалий Марса. Интенсивность этих аномалий показывает, что в древности Марс имел магнитное поле, сравнимое с современным земным или даже более мощное, и так же подверженное периодической смене полярности.
Разная намагниченность отдельных участков коры объясняется тем, что богатые железом базальтовые лавы при застывании «запоминают» внешнее магнитное поле. На Земле таким образом образуются полосовые магнитные аномалии океанского дна. Магнитное поле Земли периодически (раз в несколько сотен тысяч или миллионов лет) меняет полярность, поэтому по мере роста океанской коры по бокам от срединно-океанического хребта образуются полосы дна, намагниченного в противоположенные стороны. На Марсе точных аналогов таких полосовых аномалий найдено пока не было. Однако, более крупные полосовые аномалии в некоторых районах (например, Земля Меридиана) выглядят разорванными и сдвинутыми, что является признаком так называемых трансформных разломов, где плиты коры сдвигаются по горизонтали относительно друг друга. Трансформный разлом в районе Земли Меридиана, рифтовые долины Маринера и трио вулканов Фарсиды согласуются с гипотезой о движении плиты, включающей в себя плато Фарсида, на северо-восток. В этом случае один мантийный очаг породил вулканы Аскреус, Павонис и Арсия, а другой, возможно - Альба и Олимп.
Также по магнитным аномалиям восстанавливается история магнитных полюсов Марса (Milbury и др, 2012. «Journal of Geophysical Research» 117(E10), doi: 10.1029/2012JE004099). В этой работе использовались аномалии, связанные с застывшими потоками лавы древних вулканов, проявляющие себя не только в магнитном поле, но и как гравитационные аномалии - участки коры повышенной плотности. Намагниченность лавы, застывшей в нойскую эпоху (до 3,8 млрд лет назад), указывает на расположение магнитных полюсов в низких широтах, не выше 60 градусов широты, большей частью в районе плато Фарсида и противоположенном районе планеты - равнине Эллада. Намагниченные лавы раннегесперидского возраста (3,8-3,6 млрд лет) встречаются значительно реже, намагниченность их слабее, а ее направление указывает на магнитные полюса, близкие к современным географическим. Намагниченные лавы моложе 3,5 млрд лет при измерениях с орбиты не обнаружены вовсе.
Реконструированное положение магнитных полюсов Марса в период 4,2-3,5 млрд. лет назад. Каждая звездочка указывает положение северного магнитного полюса, определенное по намагниченности одного потока лавы (Milbury и др, 2012).
По всем моделям генерации магнитного поля в планетах земного типа, магнитные полюса не могут далеко отстоять от географических. Следовательно, на границе нойского и гесперидского периодов Марс мог испытать смену оси вращения. В предыдущих частях мы рассматривали прецессию - изменение положения оси вращения отностительно внешних тел, при котором положение оси вращения относительно ориентиров на самой планете не меняется. Здесь же ось вращения сдвинулась относительно ориентиров на самом Марсе, так что плато Фарсида, бывшее вблизи полюса, оказалось на экваторе. Одной из причин такого смещения могли быть удары крупных астероидов в период поздней тяжелой бомбардировки, породившие так же равнины Эллада и Утопия. Другой возможной причиной мог стать рост плато Фарсида - его обширная площадь, большое возвышение над остальной поверхностью планеты, и высокое содержание плотных базальтов заметно влияют на распределение массы планеты и распределение момента инерции по осям.
Третья планета земной группы, Венера, изучена гораздо хуже, чем Марс. Плотная атмосфера с густыми облаками скрывает поверхность от наблюдений во всех диапазонах, кроме радиоволн, а высокая температура (около 450 градусов) и давление на поверхности очень ограничивают возможности приборов спускаемых аппаратов. До сих пор ни один зонд не проработал на поверхности Венеры более двух часов.
Почти все, что известно о рельефе Венеры, мы знаем из радарных измерений зондов Венера-15, Венера-16 и Магеллан. Венера по размерам близка к Земле, но ее рельеф и геология сильно отличаются от земных. Перепад высот на поверхности Венеры составляет всего 13 км (на Земле - 20 км от вершины Эвереста до Марианской впадины, на Марсе более 30 км). Большая часть поверхности по высоте находится в пределах плюс-минус один километр от среднего уровня, то есть на Венере нет ничего похожего на перепад между материками и океанами Земли или северным и южным полушариями Марса.
Топографическая карта Венеры
Три высочайших горных системы Венеры - хребты Максвелла, Акна и Фрейи, находятся в северном полушарии вокруг равнины Лакшми. Их высота составляет до 7 (хребты Акна и Фрейи) и даже до 11 км (горы Максвелла). На вершинах гор лежат отложения каких-то хорошо отражающих радиоволны веществ, подобно белому снегу на вершинах гор Земли. «Снег» на Венере лежит при температуре около 350 градусов и предположительно состоит из сульфидов свинца и висмута. Поверхность Венеры густо покрыта низкими щитовыми вулканами. Крупнейшие из них по диаметру основания сравнимы с Олимпом на Марсе, но в высоту не превышают 3 километров. Количество мелких вулканов диаметром 10-20 км измеряется сотнями тысяч. Вулканы и лавовые равнины занимают до 80% поверхности Венеры.
Хотя на Венере нет глобальной тектоники плит, в ее рельефе отражены частые местные тектонические явления. Благодаря им возникли горные хребты, многочисленные одиночные разломы и складки, а так же тессеры - сложноскладчатые участки рельефа, которые были смяты в разное время в нескольких разных направлениях
Метеоритные кратеры встречаются реже, чем на Луне и Марсе, кратеров диаметром менее 30 километров практически нет, потому что мелкие метеориты сгорают в атмосфере. Плотность кратеров равномерна по всей планете. Возраст поверхности, вычисляемый по плотности кратеров, составляет по разным оценкам 300-600 млн лет, причем возраст всех участков коры практически одинаков. Это резко отличает Венеру от Земли, где несмотря на геологическую активность, сохранились крупные блоки коры возрастом 2-3 млрд лет.
Важной особенностью Венеры является отсутствие магнитного поля. Для генерации магнитного поля планетой нужны три условия: электропроводящая жидкость внутри планеты, конвективные движения в ней и вращение планеты. В планетах земной группы электропроводящей жидкостью является железное ядро, которое у Венеры явно есть и сопоставимо в размерах с ядром Земли. Вращение Венеры медленное, но его достаточно для генерации слабого магнитного поля, на уровне современного Марса (1% от земного). Следовательно, в ядре Венеры отсутствует конвекция. Так как радиоактивный распад неизбежно выделяет тепло в ядре и мантии, без конвекции их температура должна расти. По-видимому, рост температуры продолжается до тех пор, пока горячая магма не проплавляет кору сразу во многих местах, и тогда по всей Венере начинаются извержения множества вулканов, заливающие лавой больщую часть поверхности планеты. Таким образом мантия остывает и вулканизм замирает еше на сотни миллионов лет.